【人工智能】如何理解transformer中的token?

一、Token在Transformer中的作用

Token 是Transformer模型的基本输入单位，可以理解为模型处理的“原子单元”。它的作用类似于人类语言中的“词”或“字符”，但具体定义取决于分词方法。
核心意义：

1. 离散化连续文本：将无限可能的字符串映射到有限数量的Token集合（词汇表）。
2. 保留语义信息：通过合理划分，使Token能携带单词、短语或字符级别的含义。
3. 统一模型输入：所有文本需转换为相同长度的Token序列，便于模型处理。

二、文本分词的常见方法

1. 基于词典的分词（Dictionary-based Tokenization）

• 原理：使用预定义的词典（如WordNet、停用词表）匹配最长或最短单词。
• 步骤：

1. 预处理：去除标点、数字、转换为小写。
2. 查词典：按最长匹配或最短匹配切分单词。
3. 未登录词处理：将未在词典中的词视为一个Token。
   • 示例：
   文本："I love NLP!" → Tokens：["I", "love", "NLP", "!"]
   • 优点：简单高效，适用于已知领域文本。
   • 缺点：无法处理未登录词（如新造词“ChatGPT”）。

2. 子词分词（Subword Tokenization）

通过统计合并高频字符序列，生成子词单元（Subword Units），解决未登录词问题。常用方法包括：

(1) WordPiece算法

• 原理：

1. 统计频率：统计所有可能的子词片段（如"unhappy"拆分为"un", "ha", "ppy"）。
2. 合并策略：合并出现频率最高的子词对，直到无法进一步合并。
   • 示例：
   文本："unhappy" → 初始子词：["u", "n", "h", "a", "p", "p", "y"]
   合并后：["un", "happy"]（假设"un"和"happy"高频出现）。
   • 应用：BERT、GPT等模型采用WordPiece。

(2) BPE（Byte-Pair Encoding）

• 原理：

1. 初始切分：将文本按字符拆分（如"apple" → ["a", "p", "p", "l", "e"]）。
2. 统计合并：每次合并出现频率最高的相邻字符对。
   • 示例：
   文本："apple apple" → 初始字符对："ap", "pp", "pl", "le"等。
   合并后：["a", "p", "p", "le"] → ["a", "pp", "le"]。
   • 应用：GPT-2、GPT-3等模型采用BPE。

(3) SentencePiece

• 原理：

1. 无词典训练：直接从原始文本中学习子词边界，无需预定义词典。
2. 统一编码：对多语言文本生成统一词汇表。
   • 示例：
   文本："I love NLP! 你好世界!" → Tokens：["I", "love", "NLP", "!", "你", "好", "世界", "!"]。
   • 应用：XLM-R、mBERT等多语言模型。

3. 字符级分词（Character-level Tokenization）

• 原理：将每个字符视为一个Token（如中文的每个汉字）。
• 示例：
文本："我爱NLP！" → Tokens：["我", "爱", "N", "L", "P", "！"]
• 优点：无需词典，处理罕见词能力强。
• 缺点：词汇表大小过大（如中文字符集达10万+），模型参数需求高。

三、分词步骤与算法选择

具体步骤（以BPE为例）

1. 预处理：
   • 删除标点符号、数字、转换为统一小写（可选）。
   • 示例："Hello, World! 2023" → "hello world"。
2. 初始切分：按字符拆分文本。
   • 示例："hello world" → ["h", "e", "l", "l", "o", " ", "w", "o", "r", "l", "d"]。
3. 统计字符对频率：
   • 构建所有可能的相邻字符对及其出现次数。
   • 示例："he", "el", "ll", "lo", "o ", " w", etc.
4. 合并高频字符对：
   • 按频率从高到低排序，依次合并字符对，直到达到预设的词汇表大小。
   • 示例：假设"ll"频率最高，合并为"ll" → 新Token列表：["h", "e", "ll", "o", " ", "w", "o", "r", "l", "d"]。
5. 生成词汇表：
   • 记录所有合并后的子词和单字符Token。
6. 文本编码：
   • 将原始文本映射为词汇表中的索引。
   • 示例："hello world" → [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]。

算法对比

四、实际工具与代码示例

1. Hugging Face Tokenizer

from transformers import BertTokenizer

# 加载预训练模型的Tokenizer（基于WordPiece）
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained("bert-base-uncased")

# 分词示例
text = "I love NLP! This is an example."
tokens = tokenizer(text, truncation=True, padding="max_length", max_length=10)
print(tokens["input_ids"])  # 输出Token索引
print(tokens["tokens"])      # 输出Token字符串

输出：

input_ids: [101, 1976, 2363, 2003, 1994, 15851, 1999, 2002, 30522, 2000]
tokens: ['[CLS]', 'I', 'love', 'NLP', '!', 'This', 'is', 'an', 'example', '[SEP]']

2. 自定义BPE分词

使用tokenizers库实现BPE：

from tokenizers import Tokenizer

# 初始化BPE Tokenizer
tokenizer = Tokenizer()

# 添加训练数据（假设语料库为.txt文件）
tokenizer.train(files=["corpus.txt"], model="bpe")

# 分词
text = "hello world!"
tokens = tokenizer.encode(text)
print(tokens)  # 输出整数索引
print(tokenizer.decode(tokens))  # 输出恢复的文本

五、关键注意事项

1. 特殊字符处理：
   • 在预处理阶段删除或保留标点符号（如[CLS]、[SEP]在BERT中的作用）。
2. 大小写敏感：
   • 英文通常统一为小写，中文保留原样。
3. 未登录词处理：
   • 对未在词汇表中的词，BPE会自动拆分为子词（如"ChatGPT" → ["Chat", "G", "PT"]）。
4. 跨语言支持：
   • 使用SentencePiece或XLM-R Tokenizer处理多语言文本。

六、总结

• Token是Transformer模型的“原子单位”，其划分方式直接影响模型性能。
• 分词算法选择：
• 中英文 → WordPiece/BPE。
• 多语言 → SentencePiece。
• 小语种 → 字符级分词。
• 工具推荐：
• Hugging Face Tokenizer（预训练模型适配）。
• tokenizers库（自定义BPE/SentencePiece）。

通过合理选择分词方法，可以显著提升模型对文本的理解能力，尤其是在处理未登录词和跨语言场景时。

相关参考

【大语言模型知识】Transformer架构概述