Fast machine translation on parallel and massively parallel hardware

Parallel systems have been widely adopted in the field of machine translation, because the raw computational power they offer is well suited to this computationally intensive task. However programming for parallel hardware is not trivial as it requires redesign of the existing algorithms. In my thesis I design efficient algorithms for machine translation on parallel hardware. I identify memory accesses as the biggest bottleneck to processing speed and propose novel algorithms that minimize them. I present three distinct case studies in which minimizing memory access substantially improves speed: Starting with statistical machine translation, I design a phrase table that makes decoding ten times faster on a multi-threaded CPU. Next, I design a GPU-based n-gram language model that is twice as fast per £ as a highly optimized CPU implementation. Turning to neural machine translation, I design new stochastic gradient descent techniques that make end-to-end training twice as fast. The work in this thesis has been incorporated in two popular machine translation toolkits: Moses and Marian

Empirical machine translation and its evaluation

Aquesta tesi estudia l'aplicació de les tecnologies del Processament del Llenguatge Natural disponibles actualment al problema de la Traducció Automàtica basada en Mètodes Empírics i la seva Avaluació.D'una banda, tractem el problema de l'avaluació automàtica. Hem analitzat les principals deficiències dels mètodes d'avaluació actuals, les quals es deuen, al nostre parer, als principis de qualitat superficials en els que es basen. En comptes de limitar-nos al nivell lèxic, proposem una nova direcció cap a avaluacions més heterogènies. El nostre enfocament es basa en el disseny d'un ric conjunt de mesures automàtiques destinades a capturar un ampli ventall d'aspectes de qualitat a diferents nivells lingüístics (lèxic, sintàctic i semàntic). Aquestes mesures lingüístiques han estat avaluades sobre diferents escenaris. El resultat més notable ha estat la constatació de que les mètriques basades en un coneixement lingüístic més profund (sintàctic i semàntic) produeixen avaluacions a nivell de sistema més fiables que les mètriques que es limiten a la dimensió lèxica, especialment quan els sistemes avaluats pertanyen a paradigmes de traducció diferents. Tanmateix, a nivell de frase, el comportament d'algunes d'aquestes mètriques lingüístiques empitjora lleugerament en comparació al comportament de les mètriques lèxiques. Aquest fet és principalment atribuïble als errors comesos pels processadors lingüístics. A fi i efecte de millorar l'avaluació a nivell de frase, a més de recòrrer a la similitud lèxica en absència d'anàlisi lingüística, hem estudiat la possibiliat de combinar les puntuacions atorgades per mètriques a diferents nivells lingüístics en una sola mesura de qualitat. S'han presentat dues estratègies no paramètriques de combinació de mètriques, essent el seu principal avantatge no haver d'ajustar la contribució relativa de cadascuna de les mètriques a la puntuació global. A més, el nostre treball mostra com fer servir el conjunt de mètriques heterogènies per tal d'obtenir detallats informes d'anàlisi d'errors automàticament.D'altra banda, hem estudiat el problema de la selecció lèxica en Traducció Automàtica Estadística. Amb aquesta finalitat, hem construit un sistema de Traducció Automàtica Estadística Castellà-Anglès basat en -phrases', i hem iterat en el seu cicle de desenvolupament, analitzant diferents maneres de millorar la seva qualitat mitjançant la incorporació de coneixement lingüístic. En primer lloc, hem extès el sistema a partir de la combinació de models de traducció basats en anàlisi sintàctica superficial, obtenint una millora significativa. En segon lloc, hem aplicat models de traducció discriminatius basats en tècniques d'Aprenentatge Automàtic. Aquests models permeten una millor representació del contexte de traducció en el que les -phrases' ocorren, efectivament conduint a una millor selecció lèxica. No obstant, a partir d'avaluacions automàtiques heterogènies i avaluacions manuals, hem observat que les millores en selecció lèxica no comporten necessàriament una millor estructura sintàctica o semàntica. Així doncs, la incorporació d'aquest tipus de prediccions en el marc estadístic requereix, per tant, un estudi més profund.Com a qüestió complementària, hem estudiat una de les principals crítiques en contra dels sistemes de traducció basats en mètodes empírics, la seva forta dependència del domini, i com els seus efectes negatius poden ésser mitigats combinant adequadament fonts de coneixement externes. En aquest sentit, hem adaptat amb èxit un sistema de traducció estadística Anglès-Castellà entrenat en el domini polític, al domini de definicions de diccionari.Les dues parts d'aquesta tesi estan íntimament relacionades, donat que el desenvolupament d'un sistema real de Traducció Automàtica ens ha permès viure en primer terme l'important paper dels mètodes d'avaluació en el cicle de desenvolupament dels sistemes de Traducció Automàtica.In this thesis we have exploited current Natural Language Processing technology for Empirical Machine Translation and its Evaluation.On the one side, we have studied the problem of automatic MT evaluation. We have analyzed the main deficiencies of current evaluation methods, which arise, in our opinion, from the shallow quality principles upon which they are based. Instead of relying on the lexical dimension alone, we suggest a novel path towards heterogeneous evaluations. Our approach is based on the design of a rich set of automatic metrics devoted to capture a wide variety of translation quality aspects at different linguistic levels (lexical, syntactic and semantic). Linguistic metrics have been evaluated over different scenarios. The most notable finding is that metrics based on deeper linguistic information (syntactic/semantic) are able to produce more reliable system rankings than metrics which limit their scope to the lexical dimension, specially when the systems under evaluation are different in nature. However, at the sentence level, some of these metrics suffer a significant decrease, which is mainly attributable to parsing errors. In order to improve sentence-level evaluation, apart from backing off to lexical similarity in the absence of parsing, we have also studied the possibility of combining the scores conferred by metrics at different linguistic levels into a single measure of quality. Two valid non-parametric strategies for metric combination have been presented. These offer the important advantage of not having to adjust the relative contribution of each metric to the overall score. As a complementary issue, we show how to use the heterogeneous set of metrics to obtain automatic and detailed linguistic error analysis reports.On the other side, we have studied the problem of lexical selection in Statistical Machine Translation. For that purpose, we have constructed a Spanish-to-English baseline phrase-based Statistical Machine Translation system and iterated across its development cycle, analyzing how to ameliorate its performance through the incorporation of linguistic knowledge. First, we have extended the system by combining shallow-syntactic translation models based on linguistic data views. A significant improvement is reported. This system is further enhanced using dedicated discriminative phrase translation models. These models allow for a better representation of the translation context in which phrases occur, effectively yielding an improved lexical choice. However, based on the proposed heterogeneous evaluation methods and manual evaluations conducted, we have found that improvements in lexical selection do not necessarily imply an improved overall syntactic or semantic structure. The incorporation of dedicated predictions into the statistical framework requires, therefore, further study.As a side question, we have studied one of the main criticisms against empirical MT systems, i.e., their strong domain dependence, and how its negative effects may be mitigated by properly combining outer knowledge sources when porting a system into a new domain. We have successfully ported an English-to-Spanish phrase-based Statistical Machine Translation system trained on the political domain to the domain of dictionary definitions.The two parts of this thesis are tightly connected, since the hands-on development of an actual MT system has allowed us to experience in first person the role of the evaluation methodology in the development cycle of MT systems

Automatic Image Captioning with Style

This thesis connects two core topics in machine learning, vision and language. The problem of choice is image caption generation: automatically constructing natural language descriptions of image content. Previous research into image caption generation has focused on generating purely descriptive captions; I focus on generating visually relevant captions with a distinct linguistic style. Captions with style have the potential to ease communication and add a new layer of personalisation. First, I consider naming variations in image captions, and propose a method for predicting context-dependent names that takes into account visual and linguistic information. This method makes use of a large-scale image caption dataset, which I also use to explore naming conventions and report naming conventions for hundreds of animal classes. Next I propose the SentiCap model, which relies on recent advances in artificial neural networks to generate visually relevant image captions with positive or negative sentiment. To balance descriptiveness and sentiment, the SentiCap model dynamically switches between two recurrent neural networks, one tuned for descriptive words and one for sentiment words. As the first published model for generating captions with sentiment, SentiCap has influenced a number of subsequent works. I then investigate the sub-task of modelling styled sentences without images. The specific task chosen is sentence simplification: rewriting news article sentences to make them easier to understand. For this task I design a neural sequence-to-sequence model that can work with limited training data, using novel adaptations for word copying and sharing word embeddings. Finally, I present SemStyle, a system for generating visually relevant image captions in the style of an arbitrary text corpus. A shared term space allows a neural network for vision and content planning to communicate with a network for styled language generation. SemStyle achieves competitive results in human and automatic evaluations of descriptiveness and style. As a whole, this thesis presents two complete systems for styled caption generation that are first of their kind and demonstrate, for the first time, that automatic style transfer for image captions is achievable. Contributions also include novel ideas for object naming and sentence simplification. This thesis opens up inquiries into highly personalised image captions; large scale visually grounded concept naming; and more generally, styled text generation with content control

Phonetic study and text mining of Spanish for English to Spanish translation system

Projecte realitzat en col.laboració amb el centre University of Southern Californi

Document-level machine translation : ensuring translational consistency of non-local phenomena

In this thesis, we study the automatic translation of documents by taking into account cross-sentence phenomena. This document-level information is typically ignored by most of the standard state-of-the-art Machine Translation (MT) systems, which focus on translating texts processing each of their sentences in isolation. Translating each sentence without looking at its surrounding context can lead to certain types of translation errors, such as inconsistent translations for the same word or for elements in a coreference chain. We introduce methods to attend to document-level phenomena in order to avoid those errors, and thus, reach translations that properly convey the original meaning. Our research starts by identifying the translation errors related to such document-level phenomena that commonly appear in the output of state-of-the-art Statistical Machine Translation (SMT) systems. For two of those errors, namely inconsistent word translations as well as gender and number disagreements among words, we design simple and yet effective post-processing techniques to tackle and correct them. Since these techniques are applied a posteriori, they can access the whole source and target documents, and hence, they are able to perform a global analysis and improve the coherence and consistency of the translation. Nevertheless, since following such a two-pass decoding strategy is not optimal in terms of efficiency, we also focus on introducing the context-awareness during the decoding process itself. To this end, we enhance a document-oriented SMT system with distributional semantic information in the form of bilingual and monolingual word embeddings. In particular, these embeddings are used as Semantic Space Language Models (SSLMs) and as a novel feature function. The goal of the former is to promote word translations that are semantically close to their preceding context, whereas the latter promotes the lexical choice that is closest to its surrounding context, for those words that have varying translations throughout the document. In both cases, the context extends beyond sentence boundaries. Recently, the MT community has transitioned to the neural paradigm. The finalstep of our research proposes an extension of the decoding process for a Neural Machine Translation (NMT) framework, independent of the model architecture, by shallow fusing the information from a neural translation model and the context semantics enclosed in the previously studied SSLMs. The aim of this modification is to introduce the benefits of context information also into the decoding process of NMT systems, as well as to obtain an additional validation for the techniques we explored. The automatic evaluation of our approaches does not reflect significant variations. This is expected since most automatic metrics are neither context-nor semantic-aware and because the phenomena we tackle are rare, leading to few modifications with respect to the baseline translations. On the other hand, manual evaluations demonstrate the positive impact of our approaches since human evaluators tend to prefer the translations produced by our document-aware systems. Therefore, the changes introduced by our enhanced systems are important since they are related to how humans perceive translation quality for long texts.En esta tesis se estudia la traducción automática de documentos teniendo en cuenta fenómenos que ocurren entre oraciones. Típicamente, esta información a nivel de documento se ignora por la mayoría de los sistemas de Traducción Automática (MT), que se centran en traducir los textos procesando cada una de las frases que los componen de manera aislada. Traducir cada frase sin mirar al contexto que la rodea puede llevar a generar cierto tipo de errores de traducción, como pueden ser traducciones inconsistentes para la misma palabra o para elementos que aparecen en la misma cadena de correferencia. En este trabajo se presentan métodos para prestar atención a fenómenos a nivel de documento con el objetivo de evitar este tipo de errores y así llegar a generar traducciones que transmitan correctamente el significado original del texto. Nuestra investigación empieza por identificar los errores de traducción relacionados con los fenómenos a nivel de documento que aparecen de manera común en la salida de los sistemas Estadísticos del Traducción Automática (SMT). Para dos de estos errores, la traducción inconsistente de palabras, así como los desacuerdos en género y número entre palabras, diseñamos técnicas simples pero efectivas como post-procesos para tratarlos y corregirlos. Como estas técnicas se aplican a posteriori, pueden acceder a los documentos enteros tanto del origen como la traducción generada, y así son capaces de hacer un análisis global y mejorar la coherencia y la consistencia de la traducción. Sin embargo, como seguir una estrategia de traducción en dos pasos no es óptima en términos de eficiencia, también nos centramos en introducir la conciencia del contexto durante el propio proceso de generación de la traducción. Para esto, extendemos un sistema SMT orientado a documentos incluyendo información semántica distribucional en forma de word embeddings bilingües y monolingües. En particular, estos embeddings se usan como un Modelo de Lenguaje de Espacio Semántico (SSLM) y como una nueva función característica del sistema. La meta del primero es promover traducciones de palabras que sean semánticamente cercanas a su contexto precedente, mientras que la segunda quiere promover la selección léxica que es más cercana a su contexto para aquellas palabras que tienen diferentes traducciones a lo largo de un documento. En ambos casos, el contexto que se tiene en cuenta va más allá de los límites de una frase u oración. Recientemente, la comunidad MT ha hecho una transición hacia el paradigma neuronal. El paso final de nuestra investigación propone una extensión del proceso de decodificación de un sistema de Traducción Automática Neuronal (NMT), independiente de la arquitectura del modelo de traducción, aplicando la técnica de Shallow Fusion para combinar la información del modelo de traducción neuronal y la información semántica del contexto encerrada en los modelos SSLM estudiados previamente. La motivación de esta modificación está en introducir los beneficios de la información del contexto también en el proceso de decodificación de los sistemas NMT, así como también obtener una validación adicional para las técnicas que se han ido explorando a lo largo de esta tesis. La evaluación automática de nuestras propuestas no refleja variaciones significativas. Esto es un comportamiento esperado ya que la mayoría de las métricas automáticas no se diseñan para ser sensibles al contexto o a la semántica, y además los fenómenos que tratamos son escasos, llevando a pocas modificaciones con respecto a las traducciones de partida. Por otro lado, las evaluaciones manuales demuestran el impacto positivo de nuestras propuestas ya que los evaluadores humanos tienen a preferir las traducciones generadas por nuestros sistemas a nivel de documento. Entonces, los cambios introducidos por nuestros sistemas extendidos son importantes porque están relacionados con la forma en que los humanos perciben la calidad de la traducción de textos largos.Postprint (published version