hmm 求隐藏序列_结巴分词3--基于汉字成词能力的HMM模型识别未登录词

1 算法简介

在结巴分词2--基于前缀词典及动态规划实现分词博文中，博主已经介绍了基于前缀词典和动态规划方法实现分词，但是如果没有前缀词典或者有些词不在前缀词典中，jieba分词一样可以分词，那么jieba分词是如何对未登录词进行分词呢？这就是本文将要讲解的，基于汉字成词能力的HMM模型识别未登录词。

利用HMM模型进行分词，主要是将分词问题视为一个序列标注（sequence labeling）问题，其中，句子为观测序列，分词结果为状态序列。首先通过语料训练出HMM相关的模型，然后利用Viterbi算法进行求解，最终得到最优的状态序列，然后再根据状态序列，输出分词结果。

2 实例

2.1 序列标注

序列标注，就是将输入句子和分词结果当作两个序列，句子为观测序列，分词结果为状态序列，当完成状态序列的标注，也就得到了分词结果。

以“去北京大学玩”为例，我们知道“去北京大学玩”的分词结果是“去 / 北京大学 / 玩”。对于分词状态，由于jieba分词中使用的是4-tag，因此我们以4-tag进行计算。4-tag，也就是每个字处在词语中的4种可能状态，B、M、E、S，分别表示Begin（这个字处于词的开始位置）、Middle（这个字处于词的中间位置）、End（这个字处于词的结束位置）、Single（这个字是单字成词）。具体如下图所示，“去”和“玩”都是单字成词，因此状态就是S，“北京大学”是多字组合成的词，因此“北”、“京”、“大”、“学”分别位于“北京大学”中的B、M、M、E。

2.2 HMM模型

关于HMM模型的介绍，网络上有很多的资源，比如 52nlp整理的 HMM相关文章索引。博主在此就不再具体介绍HMM模型的原理，但是会对分词涉及的基础知识进行讲解。

HMM模型作的两个基本假设：

- 1.齐次马尔科夫性假设，即假设隐藏的马尔科夫链在任意时刻t的状态只依赖于其前一时刻的状态，与其它时刻的状态及观测无关，也与时刻t无关；

P(states[t] | states[t-1],observed[t-1],...,states[1],observed[1]) = P(states[t] | states[t-1]) t = 1,2,...,T

- 2.观测独立性假设，即假设任意时刻的观测只依赖于该时刻的马尔科夫链的状态，与其它观测和状态无关，

P(observed[t] | states[T],observed[T],...,states[1],observed[1]) = P(observed[t] | states[t]) t = 1,2,...,T

HMM模型有三个基本问题：

- 1.概率计算问题，给定模型

和观测序列

，怎样计算在模型

下观测序列O出现的概率

，也就是Forward-backward算法；

- 2.学习问题，已知观测序列

，估计模型

，使得在该模型下观测序列的概率

尽可能的大，即用极大似然估计的方法估计参数；

- 3.预测问题，也称为解码问题，已知模型

和观测序列

，求对给定观测序列条件概率

最大的状态序列

，即给定观测序列。求最有可能的对应的状态序列；

其中，jieba分词主要中主要涉及第三个问题，也即预测问题。

*HMM模型中的五元组表示：*

- 1.观测序列；

- 2.隐藏状态序列；

- 3.状态初始概率；

- 4.状态转移概率；

- 5.状态发射概率；

这里仍然以“去北京大学玩”为例，那么“去北京大学玩”就是观测序列。

而“去北京大学玩”对应的“SBMMES”则是隐藏状态序列，我们将会注意到B后面只能接（M或者E），不可能接（B或者S）；而M后面也只能接（M或者E），不可能接（B或者S）。

状态初始概率表示，每个词初始状态的概率；jieba分词训练出的状态初始概率模型如下所示。其中的概率值都是取对数之后的结果（可以让概率相乘转变为概率相加），其中-3.14e+100代表负无穷，对应的概率值就是0。这个概率表说明一个词中的第一个字属于{B、M、E、S}这四种状态的概率，如下可以看出，E和M的概率都是0，这也和实际相符合：开头的第一个字只可能是每个词的首字（B），或者单字成词（S）。这部分对应jieba/finaseg/prob_start.py，具体可以进入源码查看。

    P={'B': -0.26268660809250016,'E': -3.14e+100,'M': -3.14e+100,'S': -1.4652633398537678}

状态转移概率是马尔科夫链中很重要的一个知识点，一阶的马尔科夫链最大的特点就是当前时刻T = i的状态states(i)，只和T = i时刻之前的n个状态有关，即{states(i-1),states(i-2),...,states(i-n)}。

再看jieba中的状态转移概率，其实就是一个嵌套的词典，数值是概率值求对数后的值，如下所示，

    P={'B': {'E': -0.510825623765990, 'M': -0.916290731874155},'E': {'B': -0.5897149736854513, 'S': -0.8085250474669937},'M': {'E': -0.33344856811948514, 'M': -1.2603623820268226},'S': {'B': -0.7211965654669841, 'S': -0.6658631448798212}}

P['B']['E']代表的含义就是从状态B转移到状态E的概率，由P['B']['E'] = -0.5897149736854513，表示当前状态是B，下一个状态是E的概率对数是-0.5897149736854513，对应的概率值是0.6，相应的，当前状态是B，下一个状态是M的概率是0.4，说明当我们处于一个词的开头时，下一个字是结尾的概率要远高于下一个字是中间字的概率，符合我们的直觉，因为二个字的词比多个字的词更常见。这部分对应jieba/finaseg/prob_trans.py，具体可以查看源码。

状态发射概率，根据HMM模型中观测独立性假设，发射概率，即观测值只取决于当前状态值，也就如下所示，

P(observed[i],states[j]) = P(states[j]) * P(observed[i] | states[j])

其中，P(observed[i] | states[j])就是从状态发射概率中获得的。

    P={'B': {'一': -3.6544978750449433,'丁': -8.125041941842026,'七': -7.817392401429855,...'S': {':': -15.828865681131282,'一': -4.92368982120877,'丁': -9.024528361347633,...

P['B']['一']代表的含义就是状态处于'B'，而观测的字是‘一’的概率对数值为P['B']['一'] = -3.6544978750449433。这部分对应jieba/finaseg/prob_emit.py，具体可以查看源码。

2.3 Viterbi算法

Viterbi算法实际上是用动态规划求解HMM模型预测问题，即用动态规划求概率路径最大（最优路径）。这时候，一条路径对应着一个状态序列。

根据动态规划原理，最优路径具有这样的特性：如果最优路径在时刻t通过结点 $i_{t}^{*}$ ，那么这一路径从结点 $i_{t}^{*}$ 到终点 $i_{T}^{*}$ 的部分路径，对于从 $i_{t}^{*}$ 到 $i_{T}^{*}$ 的所有可能的部分路径来说，必须是最优的。因为假如不是这样，那么从 $i_{t}^{*}$ 到 $i_{T}^{*}$ 就有另一条更好的部分路径存在，如果把它和从 $i_{t}^{*}$ 到达 $i_{T}^{*}$ 的部分路径连接起来，就会形成一条比原来的路径更优的路径，这是矛盾的。依据这个原理，我们只需要从时刻t=1开始，递推地计算在时刻t状态i的各条部分路径的最大概率，直至得到时刻t=T状态为i的各条路径的最大概率。时刻t=T的最大概率就是最优路径的概率 $P^{*}$ ，最优路径的终结点 $i_{T}^{*}$ 也同时得到。之后，为了找出最优路径的各个结点，从终结点 $i_{T}^{*}$ 开始，由后向前逐步求得结点 $i_{T-1}^{*},...,i_{1}^{*}$ ，最终得到最优路径 $I^{*}=(i_{1}^{*},i_{2}^{*},...,i_{T}^{*})$ 。

2.4 输出分词结果

由Viterbi算法得到状态序列，也就可以根据状态序列得到分词结果。其中状态以B开头，离它最近的以E结尾的一个子状态序列或者单独为S的子状态序列，就是一个分词。以”去北京大学玩“的隐藏状态序列”SBMMES“为例，则分词为”S / BMME / S“，对应观测序列，也就是”去 / 北京大学 / 玩”。

3 源码分析

jieba分词中HMM模型识别未登录词的源码目录在jieba/finalseg/下，

__init__.py 实现了HMM模型识别未登录词；

prob_start.py 存储了已经训练好的HMM模型的状态初始概率表；

prob_trans.py 存储了已经训练好的HMM模型的状态转移概率表；

prob_emit.py 存储了已经训练好的HMM模型的状态发射概率表；

3.1 HMM模型参数训练

HMM模型的参数是如何训练出来，此处可以参考jieba中Issue 模型的数据是如何生成的? ，如下是jieba的开发者的解释：

来源主要有两个，一个是网上能下载到的1998人民日报的切分语料还有一个msr的切分语料。另一个是我自己收集的一些txt小说，用ictclas把他们切分（可能有一定误差），然后用python脚本统计词频。
要统计的主要有三个概率表：1)位置转换概率，即B（开头）,M（中间),E(结尾),S(独立成词）四种状态的转移概率；2）位置到单字的发射概率，比如P("和"|M)表示一个词的中间出现”和"这个字的概率；3) 词语以某种状态开头的概率，其实只有两种，要么是B，要么是S。

3.2 基于HMM模型的分词流程

jieba分词会首先调用函数cut(sentence)，cut函数会先将输入句子进行解码，然后调用__cut函数进行处理。__cut函数就是jieba分词中实现HMM模型分词的主函数。__cut函数会首先调用viterbi算法，求出输入句子的隐藏状态，然后基于隐藏状态进行分词。

    def __cut(sentence):global emit_P# 通过viterbi算法求出隐藏状态序列prob, pos_list = viterbi(sentence, 'BMES', start_P, trans_P, emit_P)begin, nexti = 0, 0# print pos_list, sentence# 基于隐藏状态序列进行分词for i, char in enumerate(sentence):pos = pos_list[i]# 字所处的位置是开始位置if pos == 'B':begin = i# 字所处的位置是结束位置elif pos == 'E':# 这个子序列就是一个分词yield sentence[begin:i + 1]nexti = i + 1# 单独成字elif pos == 'S':yield charnexti = i + 1# 剩余的直接作为一个分词，返回if nexti < len(sentence):yield sentence[nexti:]

3.3 Viterbi算法

首先先定义两个变量， $delta,psi$，定义在时刻t状态i的所有单个路径 $(i_{1},i_{2},...,i_{t})$ 中概率最大值为

由此可得变量 $delta$ 的递推公式为，

定义在时刻t状态i的所有单个路径

中概率最大的路径的第t-1个结点为，

Viterbi算法的大致流程：

输入：模型

和观测序列

；

输出：最优路径

；

（1）初始化

（2）递推

（3）终止

（4）最优路径回溯，对于t=T-1，T-2，...，1，

最终求得最优路径

；

jieba分词实现Viterbi算法是在viterbi(obs, states, start_p, trans_p, emit_p)函数中实现。viterbi函数会先计算各个初始状态的对数概率值，然后递推计算，每时刻某状态的对数概率值取决于上一时刻的对数概率值、上一时刻的状态到这一时刻的状态的转移概率、这一时刻状态转移到当前的字的发射概率三部分组成。

    def viterbi(obs, states, start_p, trans_p, emit_p):V = [{}]  # tabularpath = {}# 时刻t = 0，初始状态for y in states:  # initV[0][y] = start_p[y] + emit_p[y].get(obs[0], MIN_FLOAT)path[y] = [y]# 时刻t = 1,...,len(obs) - 1for t in xrange(1, len(obs)):V.append({})newpath = {}# 当前时刻所处的各种可能的状态for y in states:# 获取发射概率对数em_p = emit_p[y].get(obs[t], MIN_FLOAT)# 分别获取上一时刻的状态的概率对数，该状态到本时刻的状态的转移概率对数，本时刻的状态的发射概率对数# 其中，PrevStatus[y]是当前时刻的状态所对应上一时刻可能的状态(prob, state) = max([(V[t - 1][y0] + trans_p[y0].get(y, MIN_FLOAT) + em_p, y0) for y0 in PrevStatus[y]])V[t][y] = prob# 将上一时刻最优的状态 + 这一时刻的状态newpath[y] = path[state] + [y]path = newpath# 最后一个时刻(prob, state) = max((V[len(obs) - 1][y], y) for y in 'ES')# 返回最大概率对数和最优路径return (prob, path[state])

4 Reference

李航，统计学习方法.book.douban.comjieba 分词源代码研读(3)blog.csdn.netjieba中文分词源码分析（四）blog.csdn.net