Обзор открытых решений для исправления опечаток

в 11:06, , рубрики: natural language processing, nlp, spellchecker, typo, автокорректор, Алгоритмы, Блог компании Naumen, опечатка, поисковые технологии

У каждого пользователя когда-либо были опечатки при написании поисковых запросов. Отсутствие механизмов, которые исправляют опечатки, приводит к выдаче нерелевантных результатов, а то и вовсе к их отсутствию. Поэтому, чтобы поисковая система была более ориентированной на пользователей, в неё встраивают механизмы исправления ошибок.

image alt

Задача исправления опечаток, на первый взгляд, кажется довольно несложной. Но если отталкиваться от разнообразия ошибок, реализация решения может оказаться трудной. В целом, исправление опечаток разделяется на контекстно-независимое и контекстно-зависимое (где учитывается словарное окружение). В первом случае ошибки исправляются для каждого слова в отдельности, во втором – с учетом контекста (например, для фразы «она пошле домой» в контекстно-независимом случае исправление происходит для каждого слова в отдельности, где мы можем получить «она пошел домой», а во втором случае правильное исправление выдаст «она пошла домой»).

В поисковых запросах русскоязычного пользователя можно выделить четыре основные группы ошибок только для контекстно-независимого исправления [1]:
1) ошибки в самих словах (пмрвет → привет), к этой категории относятся всевозможные пропуски, вставки и перестановки букв – 63,7%,
2) слитно-раздельное написание слов – 16,9%,
3) искаженная раскладка (ghbdtn → привет) – 9,7 %,
4) транслитерация (privet → привет) – 1,3%,
5) смешанные ошибки – 8,3%.

image alt

Пользователи совершают опечатки приблизительно в 10-15% случаях. При этом 83,6% запросов имеют одну ошибку, 11,7% –две, 4,8% – более трёх. Контекст важен в 26% случаев.

Эта статистика была составлена на основе случайной выборки из дневного лога Яндекса в далеком 2013 году на основе 10000 запросов. В открытом доступе есть гораздо более ранняя презентация от Яндекса за 2008 год, где показано похожее распределение статистики [2]. Отсюда можно сделать вывод, что распределение разновидностей ошибок для поисковых запросов, в среднем, с течением времени не изменяется.

В общем виде механизм исправления опечаток основывается на двух моделях: модель ошибок и языковая модель. Причем для контекстно-независимого исправления используется только модель ошибок, а в контекстно-зависимом – сразу две. В качестве модели ошибок обычно выступает либо редакционное расстояние (расстояние Левенштейна, Дамерау-Левенштейна, также сюда могут добавляться различные весовые коэффициенты, методы на подобие Soundex и т. д. – в таком случае расстояние называется взвешенным), либо модель Бриля-Мура, которая работает на вероятностях переходов одной строки в другую. Бриль и Мур позиционируют свою модель как более совершенную, однако на одном из последних соревнований SpellRuEval подход Дамерау-Левенштейна показал результат лучше [3], несмотря на тот факт, что расстояние Дамерау-Левенштейна (уточнение – невзвешенное) не использует априори информацию об опечаточной статистике. Это наблюдение особо показательно в том случае, если для разных реализаций автокорректоров в библиотеке DeepPavlov использовались одинаковые обучающие тексты.

Очевидно, что возможность контекстно-зависимого исправления усложняет построение автокорректора, т. к. дополнительно к модели ошибок добавляется необходимость в языковой модели. Но если обратить внимание на статистику опечаток, то ¾ всех неверно написанных поисковых запросов можно исправлять без контекста. Это говорит о том, что польза как минимум от контекстно-независимого автокорректора может быть весьма существенной.

Также контекстно-зависимое исправление для корректировки опечаток в запросах очень требовательно по ресурсам. Например, в одном из выступлений Яндекса список пар для исправления опечаток (биграмм) слов отличался в 10 раз по сравнению с количеством слов (униграмм), что тогда говорить про триграммы? Очевидно, что это существенно зависит от вариативности запросов. Немного странно выглядит, когда автокорректор занимает половину памяти от предлагаемого продукта компании, целевое назначение которого не ориентировано на решение проблемы правописания. Так что вопрос внедрения контекстно-зависимого исправления в поисковых системах программных продуктов может быть весьма спорным.

На первый взгляд, складывается впечатление, что существует много готовых решений под любой язык программирования, которые можно использовать без особого погружения в подробности работы алгоритмов, в том числе – в коммерческих системах. Но на практике продолжается разработка своих решений. Например, сравнительно недавно в Joom было сделано собственное решение по исправлению опечаток с использованием языковых моделей для поисковых запросов [4]. Действительно ли ситуация непроста с доступностью готовых решений? С этой целью был сделан, по возможности, широкий обзор существующих решений. Перед тем как приступить к обзору, определимся с тем, как проверяется качество работы автокорректора.

Проверка качества работы

Вопрос проверки качества работы автокорректора весьма неоднозначен. Один из простых подходов проверки — через точность (Precision) и полноту (Recall). В соответствии со стандартом ISO, точность и полнота дополняются правильностью (на англ. «corectness»).

image alt

Полнота (Recall) рассчитывается следующим образом: список из правильных слов подается автокорректору (Total_list_true), и, количество слов, которое автокорректор считает правильными (Spellchecker_true), разделенное на общее количество правильных слов (Total_list_true), будет считаться полнотой.

$Recall={Spellchecker_true over Total_list_true} $

Для определения точности (Precision) на вход автокорректора подается список из неправильных слов (Total_list_false), и, количество слов, которое автокорректор считает неправильным (Spell_checker_false), разделенное на общее количество неправильных слов (Total_list_false), определяют как точность.

$Precision={Spellchecker_false over Total_list_false}$

Насколько вообще эти метрики информативны и как могут быть полезны, каждый определяет самостоятельно. Ведь, фактически, суть данной проверки сводится к тому, что проверяется вхождение слова в обучающий словарь. Более наглядной метрикой можно считать correctness, согласно которой автокорректор для каждого слова из тестового множества неправильных слов формирует список кандидатов-замен, на которые можно исправить это неправильное слово (следует иметь в виду, что здесь могут оказаться слова, которые не содержатся в обучающем словаре). Допустим, размер такого списка кандидатов-замен равен 5. Исходя из того, что размер списка равен 5, будет сформировано 6 групп, в одну из которых мы будем помещать наше каждое исходное неправильное слово по следующему принципу: в 1-ую группу — если в списке кандидатов-замен предполагаемое нами правильное слово стоит 1-ым, во 2-ую если стоит 2-ым и т. д., а в последнюю группу — если предполагаемого правильного слова в списке кандидатов-замен не оказалось. Разумеется, чем больше слов попало в 1-ую группу и чем меньше в 6-ую, тем лучше работает автокорректор.

Рассмотренного выше подхода придерживались авторы в статье [5], в которой сравнивались контекстно-независимые автокорректоры с уклоном на стандарт ISO. Там же приведены ссылки на другие способы оценки качества.

С одной стороны, такой подход не базируется на опечаточной статистике, в основу которого может быть положена модель ошибок Бриля-Мура [6], либо модель ошибок взвешенного расстояния Дамерау-Левенштейна.

Для проверки качества работы контекстно-независимого автокорректора был создан собственный генератор опечаток, который генерировал опечатки неверной раскладки и орфографические опечатки исходя из статистики по опечаткам, представленной Яндексом. Для орфографических опечаток генерировались произвольные вставки, замены, удаления, перестановки, а количество ошибок так же варьировалось в соответствии с этой статистикой. Для ошибок искаженной раскладки, правильное слово посимвольно изменялось целиком в соответствии с таблицей перевода символов.

Далее была проведена серия экспериментов для всего списка слов обучающего словаря (слова обучающего словаря исправлялись на неправильные в соответствии с вероятностью возникновения той или иной опечатки). В среднем, автокорректор исправляет слова верно в 75% случаев. Вне всякого сомнения, это количество будет сокращаться при пополнении обучающего словаря близкими по редакционному расстоянию словами, большом многообразии словоформ. Эта проблема может решаться за счет дополнения языковыми моделями, но здесь следует учитывать, что количество требуемых ресурсов ощутимо возрастет.

Готовые решения

image alt

Рассмотрение готовых решений проводилось с уклоном на собственное использование, и приоритет отдавался автокорректорам, которые удовлетворяют трем критериям:
1) язык реализации,
2) тип лицензии,
3) обновляемость.

В продуктовой разработке язык Java считается одним из самых популярных, поэтому приоритет при поиске библиотек отдавался ему. Из лицензий актуальны: MIT, Public, Apache, BSD. Обновляемость — не более 2-х лет с последнего обновления. В ходе поиска фиксировалась дополнительная информация, например, о поддерживаемой платформе, требуемые дополнительные программы, особенности применения, возможные затруднения при первом использовании и т. д. Ссылки с основными и полезными ресурсами на источники приведены в конце статьи. В целом, если не ограничиваться вышеупомянутыми критериями, количество существующих решений велико. Давайте кратко рассмотрим основные, а более подробно уделим внимание лишь некоторым.

Исторически одним из самых старых автокорректоров является Ispell (International Spell), написан в 1971 на ассемблере, позднее перенесен на C и в качестве модели ошибок использует редакционное расстояние Дамерау-Левенштейна. Для него даже есть словарь на русском языке. В последующем ему на замену пришли два автокорректора HunSpell (ранее MySpell) и Aspell. Оба реализованы на на C++ и распространяются под GPL лицензиями. На HunSpell также распространяется GPL/MPL и его используют для исправления опечаток в OpenOffice, LibreOffice, Google Chrome и других инструментах.

Для Интернета и браузеров есть целое множество решений на JS (сюда можно отнести: nodehun-sentences, nspell, node-markdown-spellcheck, Proofreader, Spellcheck-API — группа решений, базирующаяся на автокорректоре Hunspell; grunt-spell — под NodeJS; yaspeller-ci — обертка для автокорректора Яндекс.Спеллер, распространяется под MIT; rousseau — Lightweight proofreader in JS — используется для проверки правописания).

В категорию платных решений входят: Spellex; Source Code Spell Checker — как десктопное приложение; для JS: nanospell; для Java: Keyoti RapidSpell Spellchecker, JSpell SDK, WinterTree (у WinterTree можно даже купить исходный код за $5000).

Широкой популярностью пользуется автокорректор Питера Норвига, программный код на Python которого находится в публичном доступе в статье «How to Write a Spelling Corrector» [7]. На основе этого простого решения были построены автокорректоры на других языках, например: Norvig-spell-check, scala-norvig-spell-check (на Scala), toy-spelling-correctorGolang Spellcheck (на GO), pyspellchecker (на Python). Разумеется, здесь никакой речи не идет о языковых моделях и контекстно-зависимом исправлении.

Для текстовых редакторов, в частности для VIM сделаны vim-dialect, vim-ditto — распространяются под публичной лицензией; для Notepad++ разработан DspellCheck на C++, лицензия GPL; для Emacs сделан инструмент автоматического определения языка при печати, называется guess-language, распространяется под публичной лицензией.

Есть отдельные сервисы от поисковых гигантов: Яндекс.Спеллер — от Яндекса, про обертку к нему было сказано выше, google-api-spelling-java (соответственно, от Google).

Бесплатные библиотеки для Java: languagetool (лицензируется под LGPL), интегрируется с библиотекой текстового поиска Lucene и допускает использование языковых моделей, для работы необходима 8 версия Java; Jazzy (аналог Aspell) распространяется под лицензией LGPLv2 и не обновлялась с 2005 года, а в 2013 была перенесена на GitHub. По подобию этого автокорректора сделано отдельное решение [8]; Jortho (Java Orthography) распространяется под GPL и разрешает бесплатное использование исключительно в некоммерческих целях, в коммерческих — за дополнительную плату; Jaspell (лицензируется под BSD и не обновлялся с 2005 года); Open Source Java Suggester — не обновлялся с 2013 года, распространяется SoftCorporation LLC и разрешает коммерческое применение; LuceneSpellChecker — автокорректор библиотеки Lucene, написана на Java и распространяется под лицензией Apache.

На протяжении длительного времени вопросом исправления опечаток занимался Wolf Garbe, им были предложены алгоритмы SymSpell (под MIT лицензией) и LinSpell (под LGPL) с реализациями на C# [9], которые используют расстояние Дамерау-Левенштейна для модели ошибок. Особенность их реализации в том, что на этапе формирования возможных ошибок для входного слова, используются только удаления, вместо всевозможных удалений, вставок, замен и перестановок. По сравнению с реализацией автокорректора Питера Норвига оба алгоритма за счет этого работают быстрее, при этом прирост в скорости существенно увеличивается, если расстояние по Дамерау-Левенштейну становится больше двух. Также за счет того, что используются только удаления, сокращается время формирования словаря. Отличие между двумя алгоритмами в том, что LinSpell более экономичен по памяти и медленнее по скорости поиска, SymSpell — наоборот. В более поздней версии SymSpell исправляет ошибки слитно-раздельного написания. Языковые модели не используются.

К числу наиболее свежих и перспективных для пользования автокорректоров, работающих с языковыми моделями и исправляющих контекстно-зависимые опечатки относятся Яндекс.Спеллер, JamSpell [10], DeepPavlov [11]. Последние 2 распространяются свободно: JamSpell (MIT), DeepPavlov (под Apache).

Яндекс.Спеллер использует алгоритм CatBoost, работает с несколькими языками и исправляет всевозможные разновидности ошибок даже с учетом контекста. Единственное из найденных решение, которое исправляет ошибки неверной раскладки и транслитерацию. Решение обладает универсальностью, что делает его популярным. Его недостатком является то, что это удаленный сервис, а про ограничения и условия пользования можно прочитать здесь [12]. Сервис работает с ограниченным количеством языков, нельзя самостоятельно добавлять слова и управлять процессом исправления. В соответствии с ресурсом [3] по результатам соревнований RuSpellEval этот автокорректор показал самое высокое качество исправлений. JamSpell — самый быстрый из известных автокорректор (C++ реализация), здесь есть готовые биндинги под другие языки. Исправляет ошибки только в самих словах и работает с конкретным языком. Использовать решение на уровне униграмм и биграмм нельзя. Для получения приемлемого качества требуется большой обучающий текст.
Есть неплохие наработки у DeepPavlov, однако интеграция этих решений и последующая поддержка в собственном продукте может вызвать затруднения, т. к. при работе с ними требуется подключение виртуального окружения и использование более ранней версии Python 3.6. DeepPavlov предоставляет на выбор три готовых реализации автокорректоров, в двух из которых применены модели ошибок Бриля-Мура и в двух языковые модели. Исправляет только ошибки орфографии, а вариант с моделью ошибок на основе расстояния Дамерау-Левенштейна может исправлять ошибки слитного написания.

Упомяну ещё про один из современных подходов к исправлению опечаток, который основан на применении векторных представлений слов (Word Embeddings). Достоинством его является то, что на нем можно построить автокорректор для исправления слов с учетом контекста. Более подробно про этот подход можно прочитать здесь [13]. Но чтобы его использовать для исправления опечаток поисковых запросов вам потребуется накопить большой лог запросов. Кроме того, сама модель может оказаться довольно емкой по потребляемой памяти, что отразится на сложности интеграцию в продукт.

Выбор Naumen

image alt

Из готовых решений для Java был выбран автокорректор от Lucene (распространяется под лицензией от Apache). Позволяет исправлять опечатки в словах. Процесс обучения быстрый: например, формирование специальной структуры данных словаря – индекса для 3 млн. строк составило 30 секунд на процессоре Intel Core i5-8500 3.00GHz, 32 Gb RAM, Lucene 8.0.0. В более ранних версиях время может быть больше в 2 раза. Размер обучающего словаря – 3 млн. строк (~73 Mb txt-файл), структура индекса ~235 Mb. Для модели ошибок можно выбирать расстояние Джаро-Винклера, Левенштейна, Дамерау-Левенштейна, N-Gram, если нужно, то можно добавить свое. При необходимости есть возможность подключения языковой модели [14]. Модели известны с 2001 года, но их сравнение с известными современными решениями в открытом доступе не было обнаружено. Следующим этапом будет проверка их работы.

Полученное решение на основе Lucene исправляет только ошибки в самих словах. К любому подобному решению несложно добавить исправление искаженной раскладки клавиатуры путем соответствующей таблицы перевода, тем самым сократить возможность нерелевантной выдачи до 10% (в соответствии с опечаточной статистикой). Кроме того, несложно добавить раздельное написание слитых 2-х слов и транслитерацию.

В качестве основных недостатков решения можно выделить необходимость знания Java, отсутствие подробных кейсов использования и подробной документации, что отражается на снижении скорости разработки решения для Data-Science специалистов. Кроме того, не исправляются опечатки с расстоянием по Дамерау-Левенштейну более 2-х. Опять же, если отталкиваться от опечаточной статистики, более 2-х ошибок в слове возникает реже, чем в 5% случаев. Обоснована ли необходимость усложнения алгоритма, в частности, увеличение потребляемой памяти? Тут уже зависит от кейса заказчика. Если есть дополнительные ресурсы, то почему бы их не использовать?

Основные ресурсы по доступным автокорректорам:

Ссылки

  1. Панина М. Ф. Автоматическое исправление
    опечаток в поисковых запросах
    без учета контекста
  2. Байтин А. Исправление поисковых запросов в Яндексе
  3. DeepPavlov. Таблица сравнения автокорректоров
  4. Joom. Исправляем опечатки в поисковых запросах
  5. Dall'Oglio P. Evaluation of legal words in three Java open source spell checkers: Hunspell, Basic Suggester, and Jazzy
  6. Eric B. and Robert M. An Improved Error Model for Noisy Channel Spelling Correction
  7. Norvig P. How to Write a Spelling Corrector
  8. Автокорректор на основе Jazzy
  9. Garbe W. SymSpell vs. BK-tree: 100x faster fuzzy string search & spell checking
  10. Jamspell. Исправляем опечатки с учётом контекста
  11. DeepPavlov. Automatic spelling correction pipelines
  12. Условия использования сервиса «API Яндекс.Спеллер»
  13. Singularis. Исправление опечаток, взгляд сбоку
  14. Apache Lucene. Языковые модели

Автор: usefultool

Источник


* - обязательные к заполнению поля