引言
什么是艺术？
机器的作品能否叫艺术？
机器能否取代艺术家？
这些问题，相信不同的人，会有不同的答案。很多人认为机器生成的作品只是简单的模仿人类，没有创造性可言，但是人类艺术家，不也是从模仿和学习开始的吗？本文是为 PaperWeekly 写的一篇机器诗歌生成的综述文章，希望能增进大家对这个领域的了解。
诗歌是人类文学皇冠上的明珠。我国自《诗经》以后，两千年来的诗篇灿若繁星。让机器自动生成诗歌，一直是人工智能领域一个有挑战性的工作。
基于传统方法的诗歌生成
机器诗歌生成的工作，始于 20 世纪 70 年代。传统的诗歌生成方法，主要有以下几种：
Word Salada（词语沙拉）：是最早期的诗歌生成模型，被称作只是简单将词语进行随机组合和堆砌而不考虑语义语法要求。
基于模板和模式的方法：基于模板的方法类似于完形填空，将一首现有诗歌挖去一些词，作为模板，再用一些其他词进行替换，产生新的诗歌。这种方法生成的诗歌在语法上有所提升，但是灵活性太差。因此后来出现了基于模式的方法，通过对每个位置词的词性，韵律平仄进行限制，来进行诗歌生成。
基于遗传算法的方法：周昌乐等 [1] 提出并应用到宋词生成上。这里将诗歌生成看成状态空间搜索问题。先从随机诗句开始，然后借助人工定义的诗句评估函数，不断进行评估，进化的迭代，最终得到诗歌。这种方法在单句上有较好的结果，但是句子之间缺乏语义连贯性。
基于摘要生成的方法：严睿等 [2] 将诗歌生成看成给定写作意图的摘要生成问题，同时加入了诗歌相关的一些优化约束。
基于统计机器翻译的方法：MSRA 的何晶和周明 [3] 将诗歌生成看成一个机器翻译问题，将上一句看成源语言，下一句看成目标语言，用统计机器翻译模型进行翻译，并加上平仄押韵等约束，得到下一句。通过不断重复这个过程，得到一首完整的诗歌。
基于深度学习技术的诗歌生成
传统方法非常依赖于诗词领域的专业知识，需要专家设计大量的人工规则，对生成诗词的格律和质量进行约束。同时迁移能力也比较差，难以直接应用到其他文体（唐诗，宋词等）和语言（英文，日文等）。随着深度学习技术的发展，诗歌生成的研究进入了一个新的阶段。
RNNLM
基于 RNN 语言模型 [4] 的方法，将诗歌的整体内容，作为训练语料送给 RNN 语言模型进行训练。训练完成后，先给定一些初始内容，然后就可以按照语言模型输出的概率分布进行采样得到下一个词，不断重复这个过程就产生完整的诗歌。Karpathy 有一篇文章，非常详细的介绍这个：The Unreasonable Effectiveness of Recurrent Neural Networks
Chinese Poetry Generation with Recurrent Neural Networks
RNNPG 模型 [5]，首先由用户给定的关键词生成第一句，然后由第一句话生成第二句话，由一，二句话生成第三句话，重复这个过程，直到诗歌生成完成。模型的模型由三部分组成：
Convolutional Sentence Model（CSM）：CNN 模型，用于获取一句话的向量表示。
Recurrent Context Model (RCM)：句子级别的 RNN，根据历史生成句子的向量，输出下一个要生成句子的 Context 向量。
Recurrent Generation Model (RGM)：字符级别 RNN，根据 RCM 输出的 Context 向量和该句之前已经生成的字符，输出下一个字符的概率分布。解码的时候根据 RGM 模型输出的概率和语言模型概率加权以后，生成下一句诗歌，由人工规则保证押韵。
模型结构如下图：
模型生成例子如下图：
Chinese Song Iambics Generation with Neural Attention-based Model
模型 [6] 是基于 attention 的 encoder-decoder 框架，将历史已经生成的内容作为源语言，将下一句话作为目标语言进行翻译。需要用户提供第一句话，然后由第一句生成第二句，第一，二句生成第三句，并不断重复这个过程，直到生成完整诗歌。
基于 Attention 机制配合 LSTM，可以学习更长的诗歌，同时在一定程度上，可以保证前后语义的连贯性。
模型结构如下图：
模型生成例子如下图：
Chinese Poetry Generation with Planning based Neural Network
模型 [8] 不需要专家知识，是一个端到端的模型。它试图模仿人类开始写作前，先规划一个写作大纲的过程。整个诗歌生成框架由两部分组成：规划模型和生成模型。
规划模型：将代表用户写作意图的 Query 作为输入，生成一个写作大纲。写作大纲是一个由主题词组成的序列，第 i 个主题词代表第 i 句的主题。
生成模型：基于 encoder-decoder 框架。有两个 encoder, 其中一个 encoder 将主题词作为输入，另外一个 encoder 将历史生成的句子拼在一起作为输入，由 decoder 生成下一句话。decoder 生成的时候，利用 Attention 机制，对主题词和历史生成内容的向量一起做打分，由模型来决定生成的过程中各部分的重要性。
前面介绍的几个模型，用户的写作意图，基本只能反映在第一句，随着生成过程往后进行，后面句子和用户写作意图的关系越来越弱，就有可能发生主题漂移问题。而规划模型可以使用户的写作意图直接影响整首诗的生成，因此在一定程度上，避免了主题漂移问题，使整首诗的逻辑语义更为连贯。
总体框架图如下：
生成模型框架图如下：
诗歌图灵测试：给定一个题目，让机器和人分别做一首诗 ，由人来区分哪首诗是人写的。实验结果也很有意思，对普通人来说，已经无法区分诗是由机器生成的还是人生成的，下面是一组测试的例子：
现代概念诗歌生成例子：
i, Poet: Automatic Poetry Composition through Recurrent Neural Networks with Iterative Polishing Schema
模型 [7] 基于 encoder-decoder 框架。encoder 阶段，用户提供一个 Query 作为自己的写作意图, 由 CNN 模型获取 Query 的向量表示。decoder 阶段，使用了 hierarchical 的 RNN 生成框架，由句子级别和词级别两个 RNN 组成。
句子级别 RNN：输入句子向量表示，输出下一个句子的 Context 向量。
字符级别 RNN：输入 Context 向量和历史生成字符，输出下一个字符的概率分布。当一句生成结束的时候，字符级别 RNN 的最后一个向量，作为表示这个句子的向量，送给句子级别 RNN。
这篇文章一个比较有意思的地方，是想模拟人类写诗反复修改的过程，加入了打磨机制。反复迭代来提高诗歌生成质量。
总体框架图如下：
Generating Topical Poetry
模型 [9] 基于 encoder-decoder 框架，分为两步。先根据用户输入的关键词得到每句话的最后一个词，这些词都押韵且与用户输入相关。再将这些押韵词作为一个序列，送给 encoder, 由 decoder 生成整个诗歌。这种机制一方面保证了押韵，另外一方面，和之前提到的规划模型类似，在一定程度上避免了主题漂移问题。
模型框架图如下：
生成例子如下：
SeqGAN: Sequence Generative Adversarial Nets with Policy Gradient
模型 [10] 将图像中的对抗生成网络，用到文本生成上。生成网络是一个 RNN，直接生成整首诗歌。而判别网络是一个 CNN。用于判断这首诗歌是人写的，还是机器生成的，并通过强化学习的方式，将梯度回传给生成网络。
模型框架图如下：
总结
从传统方法到深度学习，诗歌生成技术有了很大发展，甚至在一定程度上，已经可以产生普通人真假难辨的诗歌。但是目前诗歌生成技术，学习到的仍然只是知识的概率分布，即诗句内，诗句间的搭配规律。而没有学到诗歌蕴含思想感情。因此尽管生成的诗歌看起来有模有样，但是仍然感觉只是徒有其表，缺乏一丝人的灵性。
另外一方面，诗歌不像机器翻译有 BLEU 作为评价指标，目前仍然依赖人工的主观评价，缺乏可靠的自动评估方法，因此模型优化的目标函数和主观的诗歌评价指标之间，存在较大的 gap，也影响了诗歌生成质量的提高。在围棋博弈上，以 AlphaGo 为代表的机器已经超过了人类顶尖选手，但是在诗歌生成上，离人类顶尖诗人水平，尚有很长的路要走。
参考文献
[1] 一种宋词自动生成的遗传算法及其机器实现
[2] i,Poet: Automatic Chinese Poetry Composition through a Generative Summarization Framework under Constrained Optimization
[3] Generating Chinese Classical Poems with Statistical Machine Translation Models
[4] Recurrent neural network based language model
[5] Chinese Poetry Generation with Recurrent Neural Networks
[6] Chinese Song Iambics Generation with Neural Attention-based Model
[7] i, Poet: Automatic Poetry Composition through Recurrent Neural Networks with Iterative Polishing Schema
[8] Chinese Poetry Generation with Planning based Neural Network
[9] Generating Topical Poetry
[10] SeqGAN: Sequence Generative Adversarial Nets with Policy Gradient
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张进