当古老历史遇到前沿科技：助力破译希腊铭文，实现AI与人文共舞？

*铭文、碑刻是过去文明的思想、文化和语言的体现。金石学家破译千年前的密码，需要完成文本修复、时间归因和地域归因三大任务。

主流的研究方式是「字符串匹配」，即凭借记忆或查询语料库匹配字型相似的铭文，这导致了结果的混淆和误判。

为此，DeepMind 和威尼斯福斯卡里大学联合开发了 Ithaca，利用 AI 帮助人类学者破译希腊铭文。*

作者 | 加零

编辑 | 雪菜、三羊

金石学，是研究金石铭文、碑刻和古代铭文的学科，连接着过去文明的思想、文化和语言。目前，学界面临着一个重要问题：如何深入研究和理解这些遗产？

通常意义上，解读铭文碑刻需要金石学家完成以下 3 个基本任务：

文本修复 (text restoration)：补充文本中缺失的部分；

时间归因 (chronological attribution)：确定铭文写作的时间；

地域归因 (geographical attribution)：确定铭文写作的初始地点。

完成这些任务，金石学家需要结合上下文和现有语料库，开展大量比对研究。虽然数字语料库的出现能一定程度减少研究人员的负担，但其采取的字符串匹配方式，往往导致结果的混淆和误判。同时由于年代久远，铭文多有受损和遗失，使得任务愈发复杂。

铭文修复图示

而 AI 善于发现并运用复杂的统计模式，对人难以处理的大批量数据进行分析。因此，DeepMind 和威尼斯福斯卡里大学 (Ca’ Foscari University of Venice) 的研究者联合开发了 Ithaca，旨在协助金石学家进行文本修复、时间归因和地域归因的工作。

实验证实，Ithaca 文本修复工作的准确率达到 62%，时间归因误差在 30 年内，地域归因准确率达到 71%，且具有很好的协同性。相关论文已发表于「Nature」。

相关成果发表在「Nature」

获取论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04448-z

Ithaca 的相关代码已开源在 GitHub 平台，金石学家也可利用公共界面开展研究。

源代码：https://github.com/deepmind/Ithaca

公共界面：https://ithaca.deepmind.com/

实验过程

数据集：机器可操作铭文集 I.PHI

研究者们基于帕卡德人文研究所的可搜索希腊铭文公共数据集 PHI 开展研究。

注：PHI 全称 The Packard Humanities Institute’s Searchable Greek Inscriptions public dataset

为了便于机器操作，研究者们对 PHI 中的文本进行过滤，为选择的文本分配数字 ID、相应的标注地点和时间信息，最终得到 I.PHI 数据集。

I.PHI 数据集是目前最大的机器可操作铭文数据集，包含 78,608 个铭文。

I.PHI 数据集示例

算法训练：针对 3 大任务开展训练

文本修复：采用交叉熵损失函数，掩盖输入文本的部分内容，训练 Ithaca 模型预测被掩盖的字符；

时间归因：以 10 年为间隔，Ithaca 将公元前后 800 年离散为具有相等概率的时间段，称为目标概率分布。采用 Kullback-Leibler 散度，最小化预测概率分布和目标概率分布之间的差异；

地域归因：使用交叉熵损失函数，将地域区域元数据作为目标标签，应用平滑系数 10% 的标签平滑技术避免过拟合。

基于此，Ithaca 在谷歌云平台上的 128 个 TPU v4 pod 上开展了一周的训练，batch size 为 8,192 篇文本，使用 LAMB 优化器以 3 × 10-4 的学习率优化 Ithaca 参数。

模型结构：Ithaca 模型包括 4 部分

Ithaca 模型任务处理流程

Ithaca 模型的结构可总结为以下 4 部分：

1. 输入 (Inputs)：将输入文本作为字符和单词共同处理，保证 Ithaca 既可以理解单个字符，又可以将其整合为单词进行上下文理解，未知、损坏的单词用特殊符号「unk」替代；

2. 躯干 (Torso)：Ithaca 的躯干采用叠加 Transformer 神经网络架构，它使用一种注意力机制 (attention mechanism) 来衡量输入的字符、单词对模型决策过程的影响。

在躯干部分，Ithaca 将输入文本与位置信息结合，标准化处理为一个长度等于输入字符数的序列，这个序列中每个项目是一个 2,048 维的嵌入向量。该序列被传输给 3 个不同的任务 head；

3. 任务头(Task heads)：Ithaca 有 3 个不同的任务 head，每个 head 由一个浅前馈神经网络组成，专门处理文本修复、时间归因和地域归因任务。

4. 输出(Outputs)：3 个任务 head 分别输出对应结果。

Ithaca 输出结果

文本修复：Ithaca 预测了 3 个缺失的字符，同时提供了一套按概率排序的前 20 名解码预测 (上图 a)；

地域归因：Ithaca 把输入的文字分为 84 个地区，并用地图和柱状图直观地实现可能的地区预测排名表 (上图 b)；

时间归因：为扩大时间归因任务的可解释性，Ithaca 追溯到公元前 800 年到公元 800 年，预测了日期的分类分布，而不是输出一个单一的日期值 (上图 c)。

模型训练结果

综合比对：Ithaca 具有优越的性能

* 4 个对比机制

Ancient historian：人类学者使用训练集来寻找文本的相似之处，与 Ithaca 的结果对比；

Ancient historian and Ithaca：Ithaca 为金石学家提供 20 个可能的修复，评估 Ithaca 与人类学者的协同性；

Pythia：一个用于文本修复任务的序列到序列递归神经网络 (a sequence-to-sequence recurrent neural network)，评价 Ithaca 的文本修复性能；

Onomastics：研究人员使用希腊人名在时间和空间上的已知分布，完成一组文本的时间和地域归因，评价 Ithaca 的时间和地域归因性能。

* 3 大评价指标

字符错误率 (CER, character error rate)：评价文本修复任务，计算最高预测修复序列和目标序列之间的归一化差异；

top-k accuracy：评价文本修复或地域归因任务，计算预测结果中概率最大的前 k 个结果包含正确标签的占比，常用 top 1 准确率；

distance metric (Methods)：评价时间归因任务，计算预测分布的平均值与真值区间 (ground-truth interval) 之间的年数距离。

* 实验结果

文本修复

文本修复任务

a：原始铭文；

b：Rhodes-Osborne 修复后的铭文；

c：Pythia 修复版，与 Rhodes-Osborne 版有 74 处不匹配；

d：Ithaca 修复版，与 Rhodes-Osborne 版有 45 处不匹配；

图中修复正确的部分由绿色表示，错误用红色突出表示。

原始铭文 (IG II² 116) 缺失 378 个字符，以 Rhodes-Osborne 在 2003 年完成的修复 (图 b) 为基准，Ithaca 的 CER 为 26.3%，top 1 准确率达到 61.8%。

与金石学家相比，Ithaca 的 CER 低 2.2 倍。Ithaca 的前 20 名预测准确率为78.3%，比 Pythia 高 1.5 倍。

2. 地域归因

地域归因任务

地域归因任务中，Ithaca 达到了 70.8% 的 top 1 准确率和 82.1% 的 top 3 准确率。上图表示 Ithaca 将 manumission 铭文正确的归因到了 Delphi 地区。

3. 时间归因

时间归因任务

对于时间归因任务，人类专家预测的平均值为 144.4，中位数为 94.5 年，而 Ithaca 的预测与真值区间 (ground-truth interval) 平均差距为 29.3 年，中位数的差距仅为 3 年。

综合 Ithaca 在三项任务中的表现，结果整理如下：

相较于人类专家和 Pythia，Ithaca 在 3 大任务上都展现了优越的性能。

当人类专家与 Ithaca 协同时，达到了 18.3% 的 CER 和 71.7% 的 top 1 准确率，相比金石学家单独开展工作呈现出 3.2 倍和 2.8 倍的改善，相比 Ithaca 独自完成任务也有显著改善，展现了 Ithaca 优越的协同性。

Ithaca 的实验结果对比

时间归因：Ithaca 解决争议问题

部分铭文的时间归因一直存在争议，传统时间归因采用的 sigma 测年标准 (sigma dating criterion) 无法保证准确，金石学家无法确定这些铭文是在公元前 446/5 年之前还是之后。

如下图的铭文，依照传统方法追溯到公元前 446/5 年，但最近被重新追溯到公元前 424/3 年。

一条争议铭文（局部）

这组有争议的铭文存在于 I.PHI 数据集中，Ithaca 的时间归因结果推翻了基于 sigma 测年标准的传统历史解读，与新发现的基础事实平均相差 5 年。

由此证明，Ithaca 可以帮助历史学家缩小日期范围，提高历史事件时间归因的精确度。

AI 与人类：1 + 1 > 2 ?

Ithaca 的结果输出部分非常有趣，它并不会输出单一的答案，而是给出多种可能的结果以供研究人员选择。

这值得其他 AI 开发者和使用者借鉴，与其依赖 AI 的输出，不如利用 AI「探路」，排除一些错误答案，拓展自主思考的深度和广度。

将 AI 的计算能力与人类的创造性和深度思考相结合，Ithaca 帮助我们开拓了一种与 AI 携手合作的范式。

未来，我们期待 AI 与人类学者协同并进，实现「1+1 > 2」的目标。

参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04448-z

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03212-1

—— 完 ——