浅析如何用Python从头开始实现一个中文拼音输入法？

输入法| 2016-12-06

众所周知，中文输入法是一个历史悠久的问题，但也实在是个繁琐的活，不知道这是不是网上很少有人分享中文拼音输入法的原因，接着这次NLP Project的机会，我觉得实现一发中文拼音输入法，看看水有多深，结果发现还挺深的，但是基本效果还是能出来的，而且看别的组都做得挺好的，这次就分享一下我们做的结果吧。（注：此文假设读者已经具备一些隐马尔可夫模型的知识）

任务描述

实现一个中文拼音输入法。

经过分析，分为以下几个模块来对中文拼音输入法进行实现：

核心功能包括拼音切分(SplitPinyin.py)
HMM模型训练(TrainMatrix.py)
Trie树构建与搜索接口实现(PinyinTrie.py)
维特比算法实现以及提供给UI的服务接口(GodTian_Pinyin.py)
最后的UI实现(gui.py)

技术路线

在中文拼音输入法中，我们需要完成拼音序列到汉字序列的转换，比如输入“nihao”，输入法会给出我们想输入的字“你好”，到这里我们就可以问出几个问题：

如何切分拼音？
如：用户输入”xiana”，输入法应该判断用户想输入”xian a”（闲啊）还是”xia na”（夏娜）还是”xi an a”（西安啊）？
如何实时给用户以反馈？
对于切分好的拼音，怎样找出用户最想输入的一串中文显示给用户？
用户输入的拼音是错的的情况下，如何容忍这种错误？该如何显示？

也许我们还能问出更多的问题，中文拼音输入法就是这样，总有可以继续抠下去的细节。
那么我们如何解决上面的问题？我们的方案如下：

如何切分拼音？

这里我们暂时采用最长匹配的方式，也就是说，如果用户输入的首个串是拼音或者是某个合法拼音的前缀，那么我们会继续向后发现，等待用户输入，直到用户输完后发现这个字符（假设是第n个）与原来n-1个不是合法的拼音也不是合法的拼音的前缀，那么此时将前面n-1串切分成拼音，这就完成了一个拼音的发现，比如说输入”xiant”（想输xiantian），则我们会扫描这个串，一直到”xian”，到”xiant”的时候发现既不是合法拼音的前缀也不是合法拼音，那么从t前面划分开，得到”xian’t”，同样的道理发现后续的拼音。
在实时任务中，用户即使没有输完我们仍应该显示东西，那么我们先切分拼音，最多只会有最后一个是不完整的拼音前缀，那么我们将完整的和不完整的分开处理。假设是”xian’t”的情况，我们将”xian”放入 viterbi算法中，通过HMM得出概率最大的一个输出串，然后将最后的”t”在训练过的Trie树中搜索出所有以”t”为前缀的字，以及他们出现的频率，取频率最高的若干个，作为viterbi算法的下一个状态的可能集合，然后得到他们的拼音，与前面n-1个拼音组合起来跑Viterbi算法，得到最可能的一个中文串，由于这些频率最高的字的拼音（即我们可能的观测值）可能不相同，我们只能将相同音的字作为一次viterbi算法运行的下一状态，这样 viterbi跑的次数就是这些字里面不同音的个数，但是由于总数固定，异音越多，每个音对应的越少，所以总时间是没有差别的。
具体Trie树会在后面讲解。

输入法

如何实时给用户以反馈？

上面其实已经初步解释了如何实时反馈，实时反馈我们要做的就是用户每输一个字母，我们就能够显示出用户可能想要打的字，那么，以一个字母开头的拼音有很多，每个拼音对应的字也可能有很多，也即结果有很多，但是我们又不能漏掉，所以只能考虑所有的字，比较选出概率最大的若干个字，这时候我们可以采用Trie树来解决。Trie树就是前缀树，说白了就是将拼音的字母按顺序顺着根插入到树中，每个叶子节点就是一个拼音，这个拼音就是顺着根一路走下来取的字母的顺序组合，这样我们就可以找出以任意字符串为前缀的所有拼音，方法就是dfs遍历每一个以其为前缀的子树的叶子节点，这时候我们叶子节点存的其实是一个字典，key为这个拼音对应的可能的字，value为这个字出现的频率，以作为比较。

对于切分好的拼音，怎样找出用户最想输入的一串中文显示给用户？

这里我们使用隐马尔可夫模型，将用户想输入的中文字作为隐状态，用户输入的拼音为显状态，通过最大似然估计即频率估计出HMM的三个矩阵的值，最后通过viterbi算法找出概率最大的若干个中文字串显示出来。

用户输入的拼音是错的的情况下，如何容忍这种错误？该如何显示？

由于考虑到实现高度容错的复杂性，我们假设用户会输入正确的拼音，在想分割的时候会自行添加分隔符”‘“，由于大部分输入法用户绝大部分时间都会输入正确的拼音，所以，这样一个假设既简化了实现的过程，又没有损失太大的用户体验。

用到的数据

由于训练HMM模型的需要，我们从搜狗实验室找到了SogouQ用户查询数据集，预处理成合法的句子之后大约有360M，且为了避免查询句太短，我们也增加了将近30M的搜狐新闻数据作为训练语料，这里面包含了很多的长句子。
通过这两个语料的训练，我们得到了长句和短句皆可表现较好效果的HMM模型。并且我们还可以继续拓展语料，以增加我们HMM模型的准确性，这是后话，不提。

遇到的问题及解决方案，

UI界面的问题，由于UI设计的复杂性与不同系统的考虑，出现了许多莫名其妙的BUG，这使得我们花了许多时间。
viterbi算法的效率问题，由于以某个字母开头的拼音对应的字有很多个，假设我们取最优的K个，我们需要将这K个与前面已有的拼音组合，然后跑一遍Viterbi算法，由于Viterbi算法从一个状态转移到另一个状态的计算量很大，我们使用了记忆（cache）的方法来加速，具体方法就是记录下某一个完整拼音串所对应的viterbi算法的最后一个状态的相关情况，这样如果我们再次遇到这个拼音串（A）加上另一个拼音（B）跑viterbi的情况，我们就不需要从这个组合串的开头开始跑viterbi算法了，而是直接从A 串跑完viterbi的最后一个状态（从记忆单元读取）开始，向B进行转移。
这个记忆单元会随着程序而一直存在，并且我们对这个对象做了持久化，在输入法启动时我们会读取这个文件（记忆单元），这也就意味着，如果我们曾经输入过某个拼音串，那么我们以后再输入同样的拼音串的时候，不再需要跑核心算法，而是直接显示结果，这样在速度上就取得了显著的提高，就会出现，输入法越用越好用，越用越快的好处，当然这牺牲了一些存储空间，但是如今我们都不缺存储空间。
重复计算的问题，比如在用户觉得打错了的时候，往后退格，这时就会退到某一个前缀，但是其实这个前缀我们是算过了的，也显示过了的，就是说我们退回到我们以前显示过的内容的时候，如果不加优化，那么又会重新跑一遍核心的viterbi算法，这样就会很慢，那么我们还是利用cache思想，将输入的拼音串以及对应的显示结果相对应并且存起来，这样我们就做到了飞速的退格操作。
Python语言固有的性能问题，解决这个问题只有更换语言，事实上用C++语言实现的话我相信会快很多，这在后面可以考虑用C++实现，这也是完全可行的。

性能评价

输入比较迅速，绝大多数输入能在1秒以内显示。输入过的句子再输入和退格操作都是毫秒级别的。

给出程序的运行环境

Python 2.7
需要安装的Python包： Tkinter, cPickle, pypinyin等模块

执行方法及参数

在项目Project目录下，运行

1	$ python gui.py

即可。

Future Works

由上面我们可以看到其实可以做的工作还很多，比如

改换编译型语言，如C++，大幅减小计算开销
不断随着用户的输入更新HMM模型
将软件嵌入系统中
我们观察到，长句输入很少有多个是想打的，不想短句可能想打的情况很多，所以很多与输入拼音串长度相同的句子我们可以换成短句。
。。。

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