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简介
处理自然语言的模型通常使用不同的字符集来处理不同的语言。Unicode 是一种标准的编码系统，用于表示几乎所有语言的字符。每个字符使用 0 和 0x10FFFF 之间的唯一整数码位进行编码。Unicode 字符串是由零个或更多码位组成的序列。
本教程介绍了如何在 TensorFlow 中表示 Unicode 字符串，以及如何使用标准字符串运算的 Unicode 等效项对其进行操作。它会根据字符体系检测将 Unicode 字符串划分为不同词例。
import tensorflow as tf
2023-11-07 23:56:44.044088: E external/local_xla/xla/stream_executor/cuda/cuda_dnn.cc:9261] Unable to register cuDNN factory: Attempting to register factory for plugin cuDNN when one has already been registered 2023-11-07 23:56:44.044147: E external/local_xla/xla/stream_executor/cuda/cuda_fft.cc:607] Unable to register cuFFT factory: Attempting to register factory for plugin cuFFT when one has already been registered 2023-11-07 23:56:44.045783: E external/local_xla/xla/stream_executor/cuda/cuda_blas.cc:1515] Unable to register cuBLAS factory: Attempting to register factory for plugin cuBLAS when one has already been registered
tf.string 数据类型
您可以使用基本的 TensorFlow tf.string dtype 构建字节字符串张量。Unicode 字符串默认使用 UTF-8 编码。
tf.constant(u"Thanks 😊")
<tf.Tensor: shape=(), dtype=string, numpy=b'Thanks \xf0\x9f\x98\x8a'>
tf.string 张量可以容纳不同长度的字节字符串，因为字节字符串会被视为原子单元。字符串长度不包括在张量维度中。
tf.constant([u"You're", u"welcome!"]).shape
TensorShape([2])
注：使用 Python 构造字符串时，v2 和 v3 对 Unicode 的处理方式有所不同。在 v2 中，Unicode 字符串用前缀“u”表示（如上所示）。在 v3 中，字符串默认使用 Unicode 编码。
表示 Unicode
在 TensorFlow 中有两种表示 Unicode 字符串的标准方式：
string标量 - 使用已知字符编码对码位序列进行编码。int32向量 - 每个位置包含单个码位。
例如，以下三个值均表示 Unicode 字符串 "语言处理"：
# Unicode string, represented as a UTF-8 encoded string scalar.
text_utf8 = tf.constant(u"语言处理")
text_utf8
<tf.Tensor: shape=(), dtype=string, numpy=b'\xe8\xaf\xad\xe8\xa8\x80\xe5\xa4\x84\xe7\x90\x86'>
# Unicode string, represented as a UTF-16-BE encoded string scalar.
text_utf16be = tf.constant(u"语言处理".encode("UTF-16-BE"))
text_utf16be
<tf.Tensor: shape=(), dtype=string, numpy=b'\x8b\xed\x8a\x00Y\x04t\x06'>
# Unicode string, represented as a vector of Unicode code points.
text_chars = tf.constant([ord(char) for char in u"语言处理"])
text_chars
<tf.Tensor: shape=(4,), dtype=int32, numpy=array([35821, 35328, 22788, 29702], dtype=int32)>
在不同表示之间进行转换
TensorFlow 提供了在下列不同表示之间进行转换的运算：
tf.strings.unicode_decode：将编码的字符串标量转换为码位的向量。tf.strings.unicode_encode：将码位的向量转换为编码的字符串标量。tf.strings.unicode_transcode：将编码的字符串标量转换为其他编码。
tf.strings.unicode_decode(text_utf8,
input_encoding='UTF-8')
<tf.Tensor: shape=(4,), dtype=int32, numpy=array([35821, 35328, 22788, 29702], dtype=int32)>
tf.strings.unicode_encode(text_chars,
output_encoding='UTF-8')
<tf.Tensor: shape=(), dtype=string, numpy=b'\xe8\xaf\xad\xe8\xa8\x80\xe5\xa4\x84\xe7\x90\x86'>
tf.strings.unicode_transcode(text_utf8,
input_encoding='UTF8',
output_encoding='UTF-16-BE')
<tf.Tensor: shape=(), dtype=string, numpy=b'\x8b\xed\x8a\x00Y\x04t\x06'>
批次维度
解码多个字符串时，每个字符串中的字符数可能不相等。返回结果是 tf.RaggedTensor，其中最里面的维度的长度会根据每个字符串中的字符数而变化：
# A batch of Unicode strings, each represented as a UTF8-encoded string.
batch_utf8 = [s.encode('UTF-8') for s in
[u'hÃllo', u'What is the weather tomorrow', u'Göödnight', u'😊']]
batch_chars_ragged = tf.strings.unicode_decode(batch_utf8,
input_encoding='UTF-8')
for sentence_chars in batch_chars_ragged.to_list():
print(sentence_chars)
[104, 195, 108, 108, 111] [87, 104, 97, 116, 32, 105, 115, 32, 116, 104, 101, 32, 119, 101, 97, 116, 104, 101, 114, 32, 116, 111, 109, 111, 114, 114, 111, 119] [71, 246, 246, 100, 110, 105, 103, 104, 116] [128522]
您可以直接使用此 tf.RaggedTensor，也可以使用 tf.RaggedTensor.to_tensor 和 tf.RaggedTensor.to_sparse 方法将其转换为带有填充的密集 tf.Tensor 或 tf.SparseTensor。
batch_chars_padded = batch_chars_ragged.to_tensor(default_value=-1)
print(batch_chars_padded.numpy())
[[ 104 195 108 108 111 -1 -1 -1 -1 -1
-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1]
[ 87 104 97 116 32 105 115 32 116 104
101 32 119 101 97 116 104 101 114 32
116 111 109 111 114 114 111 119]
[ 71 246 246 100 110 105 103 104 116 -1
-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1]
[128522 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1]]
batch_chars_sparse = batch_chars_ragged.to_sparse()
在对多个具有相同长度的字符串进行编码时，可以将 tf.Tensor 用作输入：
tf.strings.unicode_encode([[99, 97, 116], [100, 111, 103], [ 99, 111, 119]],
output_encoding='UTF-8')
<tf.Tensor: shape=(3,), dtype=string, numpy=array([b'cat', b'dog', b'cow'], dtype=object)>
当对多个具有不同长度的字符串进行编码时，应将 tf.RaggedTensor 用作输入：
tf.strings.unicode_encode(batch_chars_ragged, output_encoding='UTF-8')
<tf.Tensor: shape=(4,), dtype=string, numpy=
array([b'h\xc3\x83llo', b'What is the weather tomorrow',
b'G\xc3\xb6\xc3\xb6dnight', b'\xf0\x9f\x98\x8a'], dtype=object)>
如果您的张量具有填充或稀疏格式的多个字符串，请在调用 unicode_encode 之前将其转换为 tf.RaggedTensor：
tf.strings.unicode_encode(
tf.RaggedTensor.from_sparse(batch_chars_sparse),
output_encoding='UTF-8')
<tf.Tensor: shape=(4,), dtype=string, numpy=
array([b'h\xc3\x83llo', b'What is the weather tomorrow',
b'G\xc3\xb6\xc3\xb6dnight', b'\xf0\x9f\x98\x8a'], dtype=object)>
tf.strings.unicode_encode(
tf.RaggedTensor.from_tensor(batch_chars_padded, padding=-1),
output_encoding='UTF-8')
<tf.Tensor: shape=(4,), dtype=string, numpy=
array([b'h\xc3\x83llo', b'What is the weather tomorrow',
b'G\xc3\xb6\xc3\xb6dnight', b'\xf0\x9f\x98\x8a'], dtype=object)>
Unicode 运算
字符长度
tf.strings.length 运算具有 unit 参数，该参数表示计算长度的方式。unit 默认为 "BYTE"，但也可以将其设置为其他值（例如 "UTF8_CHAR" 或 "UTF16_CHAR"），以确定每个已编码 string 中的 Unicode 码位数量。
# Note that the final character takes up 4 bytes in UTF8.
thanks = u'Thanks 😊'.encode('UTF-8')
num_bytes = tf.strings.length(thanks).numpy()
num_chars = tf.strings.length(thanks, unit='UTF8_CHAR').numpy()
print('{} bytes; {} UTF-8 characters'.format(num_bytes, num_chars))
11 bytes; 8 UTF-8 characters
字符子字符串
类似地，tf.strings.substr 运算会接受 "unit" 参数，并用它来确定 "pos" 和 "len" 参数包含的偏移类型。
# default: unit='BYTE'. With len=1, we return a single byte.
tf.strings.substr(thanks, pos=7, len=1).numpy()
b'\xf0'
# Specifying unit='UTF8_CHAR', we return a single character, which in this case
# is 4 bytes.
print(tf.strings.substr(thanks, pos=7, len=1, unit='UTF8_CHAR').numpy())
b'\xf0\x9f\x98\x8a'
拆分 Unicode 字符串
tf.strings.unicode_split 运算会将 Unicode 字符串拆分为单个字符的子字符串：
tf.strings.unicode_split(thanks, 'UTF-8').numpy()
array([b'T', b'h', b'a', b'n', b'k', b's', b' ', b'\xf0\x9f\x98\x8a'],
dtype=object)
字符的字节偏移量
为了将 tf.strings.unicode_decode 生成的字符张量与原始字符串对齐，了解每个字符开始位置的偏移量很有用。方法 tf.strings.unicode_decode_with_offsets 与 unicode_decode 类似，不同的是它会返回包含每个字符起始偏移量的第二张量。
codepoints, offsets = tf.strings.unicode_decode_with_offsets(u"🎈🎉🎊", 'UTF-8')
for (codepoint, offset) in zip(codepoints.numpy(), offsets.numpy()):
print("At byte offset {}: codepoint {}".format(offset, codepoint))
At byte offset 0: codepoint 127880 At byte offset 4: codepoint 127881 At byte offset 8: codepoint 127882
Unicode 字符体系
每个 Unicode 码位都属于某个码位集合，这些集合被称作字符体系。某个字符的字符体系有助于确定该字符可能所属的语言。例如，已知 'Б' 属于西里尔字符体系，表明包含该字符的现代文本很可能来自某个斯拉夫语种（如俄语或乌克兰语）。
TensorFlow 提供了 tf.strings.unicode_script 运算来确定某一给定码位使用的是哪个字符体系。字符体系代码是对应于国际 Unicode 组件 (ICU) UScriptCode 值的 int32 值。
uscript = tf.strings.unicode_script([33464, 1041]) # ['芸', 'Б']
print(uscript.numpy()) # [17, 8] == [USCRIPT_HAN, USCRIPT_CYRILLIC]
[17 8]
tf.strings.unicode_script 运算还可以应用于码位的多维 tf.Tensor 或 tf.RaggedTensor：
print(tf.strings.unicode_script(batch_chars_ragged))
<tf.RaggedTensor [[25, 25, 25, 25, 25], [25, 25, 25, 25, 0, 25, 25, 0, 25, 25, 25, 0, 25, 25, 25, 25, 25, 25, 25, 0, 25, 25, 25, 25, 25, 25, 25, 25] , [25, 25, 25, 25, 25, 25, 25, 25, 25], [0]]>
示例：简单分词
分词是将文本拆分为类似单词的单元的任务。当使用空格字符分隔单词时，这通常很容易，但是某些语言（如中文和日语）不使用空格，而某些语言（如德语）中存在长复合词，必须进行拆分才能分析其含义。在网页文本中，不同语言和字符体系常常混合在一起，例如“NY株価”（纽约证券交易所）。
我们可以利用字符体系的变化进行粗略分词（不实现任何 ML 模型），从而估算词边界。这对类似上面“NY株価”示例的字符串都有效。这种方法对大多数使用空格的语言也都有效，因为各种字符体系中的空格字符都归类为 USCRIPT_COMMON，这是一种特殊的字符体系代码，不同于任何实际文本。
# dtype: string; shape: [num_sentences]
#
# The sentences to process. Edit this line to try out different inputs!
sentence_texts = [u'Hello, world.', u'世界こんにちは']
首先，我们将句子解码为字符码位，然后查找每个字符的字符体系标识符。
# dtype: int32; shape: [num_sentences, (num_chars_per_sentence)]
#
# sentence_char_codepoint[i, j] is the codepoint for the j'th character in
# the i'th sentence.
sentence_char_codepoint = tf.strings.unicode_decode(sentence_texts, 'UTF-8')
print(sentence_char_codepoint)
# dtype: int32; shape: [num_sentences, (num_chars_per_sentence)]
#
# sentence_char_scripts[i, j] is the unicode script of the j'th character in
# the i'th sentence.
sentence_char_script = tf.strings.unicode_script(sentence_char_codepoint)
print(sentence_char_script)
<tf.RaggedTensor [[72, 101, 108, 108, 111, 44, 32, 119, 111, 114, 108, 100, 46], [19990, 30028, 12371, 12435, 12395, 12385, 12399]]> <tf.RaggedTensor [[25, 25, 25, 25, 25, 0, 0, 25, 25, 25, 25, 25, 0], [17, 17, 20, 20, 20, 20, 20]]>
接下来，我们使用这些字符体系标识符来确定添加词边界的位置。我们在每个句子的开头添加一个词边界；如果某个字符与前一个字符属于不同的字符体系，也为该字符添加词边界。
# dtype: bool; shape: [num_sentences, (num_chars_per_sentence)]
#
# sentence_char_starts_word[i, j] is True if the j'th character in the i'th
# sentence is the start of a word.
sentence_char_starts_word = tf.concat(
[tf.fill([sentence_char_script.nrows(), 1], True),
tf.not_equal(sentence_char_script[:, 1:], sentence_char_script[:, :-1])],
axis=1)
# dtype: int64; shape: [num_words]
#
# word_starts[i] is the index of the character that starts the i'th word (in
# the flattened list of characters from all sentences).
word_starts = tf.squeeze(tf.where(sentence_char_starts_word.values), axis=1)
print(word_starts)
tf.Tensor([ 0 5 7 12 13 15], shape=(6,), dtype=int64)
然后，我们可以使用这些起始偏移量来构建 RaggedTensor，它包含了所有批次的单词列表：
# dtype: int32; shape: [num_words, (num_chars_per_word)]
#
# word_char_codepoint[i, j] is the codepoint for the j'th character in the
# i'th word.
word_char_codepoint = tf.RaggedTensor.from_row_starts(
values=sentence_char_codepoint.values,
row_starts=word_starts)
print(word_char_codepoint)
<tf.RaggedTensor [[72, 101, 108, 108, 111], [44, 32], [119, 111, 114, 108, 100], [46], [19990, 30028], [12371, 12435, 12395, 12385, 12399]]>
最后，我们可以将词码位 RaggedTensor 划分回句子中：
# dtype: int64; shape: [num_sentences]
#
# sentence_num_words[i] is the number of words in the i'th sentence.
sentence_num_words = tf.reduce_sum(
tf.cast(sentence_char_starts_word, tf.int64),
axis=1)
# dtype: int32; shape: [num_sentences, (num_words_per_sentence), (num_chars_per_word)]
#
# sentence_word_char_codepoint[i, j, k] is the codepoint for the k'th character
# in the j'th word in the i'th sentence.
sentence_word_char_codepoint = tf.RaggedTensor.from_row_lengths(
values=word_char_codepoint,
row_lengths=sentence_num_words)
print(sentence_word_char_codepoint)
<tf.RaggedTensor [[[72, 101, 108, 108, 111], [44, 32], [119, 111, 114, 108, 100], [46]], [[19990, 30028], [12371, 12435, 12395, 12385, 12399]]]>
为了使最终结果更易于阅读，我们可以将其重新编码为 UTF-8 字符串：
tf.strings.unicode_encode(sentence_word_char_codepoint, 'UTF-8').to_list()
[[b'Hello', b', ', b'world', b'.'], [b'\xe4\xb8\x96\xe7\x95\x8c', b'\xe3\x81\x93\xe3\x82\x93\xe3\x81\xab\xe3\x81\xa1\xe3\x81\xaf']]