NLP中CNN模型常见的Pooling操作方法及其典型网络结构

CNN是目前自然语言处理中和RNN并驾齐驱的两种最常见的深度学习模型。图1展示了在NLP任务中使用CNN模型的典型网络结构。一般而言，输入的字或者词用Word Embedding的方式表达，这样本来一维的文本信息输入就转换成了二维的输入结构，假设输入X包含m个字符，而每个字符的Word Embedding的长度为d，那么输入就是m*d的二维向量。

图1 自然语言处理中CNN模型典型网络结构

这里可以看出，因为NLP中的句子长度是不同的，所以CNN的输入矩阵大小是不确定的，这取决于m的大小是多少。卷积层本质上是个特征抽取层，可以设定超参数F来指定设立多少个特征抽取器（Filter），对于某个Filter来说，可以想象有一个k*d大小的移动窗口从输入矩阵的第一个字开始不断往后移动，其中k是Filter指定的窗口大小，d是Word Embedding长度。对于某个时刻的窗口，通过神经网络的非线性变换，将这个窗口内的输入值转换为某个特征值，随着窗口不断往后移动，这个Filter对应的特征值不断产生，形成这个Filter的特征向量。这就是卷积层抽取特征的过程。每个Filter都如此操作，形成了不同的特征抽取器。Pooling 层则对Filter的特征进行降维操作，形成最终的特征。一般在Pooling层之后连接全联接层神经网络，形成最后的分类过程。

可见，卷积和Pooling是CNN中最重要的两个步骤。下面我们重点介绍NLP中CNN模型常见的Pooling操作方法。

MaxPooling Over TIme是NLP中CNN模型中最常见的一种下采样操作。意思是对于某个Filter抽取到若干特征值，只取其中得分最大的那个值作为Pooling层保留值，其它特征值全部抛弃，值最大代表只保留这些特征中最强的，而抛弃其它弱的此类特征。

CNN中采用Max Pooling操作有几个好处：首先，这个操作可以保证特征的位置与旋转不变性，因为不论这个强特征在哪个位置出现，都会不考虑其出现位置而能把它提出来。对于图像处理来说这种位置与旋转不变性是很好的特性，但是对于NLP来说，这个特性其实并不一定是好事，因为在很多NLP的应用场合，特征的出现位置信息是很重要的，比如主语出现位置一般在句子头，宾语一般出现在句子尾等等，这些位置信息其实有时候对于分类任务来说还是很重要的，但是Max Pooling 基本把这些信息抛掉了。

其次，MaxPooling能减少模型参数数量，有利于减少模型过拟合问题。因为经过Pooling操作后，往往把2D或者1D的数组转换为单一数值，这样对于后续的ConvoluTIon层或者全联接隐层来说无疑单个Filter的参数或者隐层神经元个数就减少了。

再者，对于NLP任务来说，Max Pooling有个额外的好处；在此处，可以把变长的输入X整理成固定长度的输入。因为CNN最后往往会接全联接层，而其神经元个数是需要事先定好的，如果输入是不定长的那么很难设计网络结构。前文说过,CNN模型的输入X长度是不确定的，而通过Pooling 操作，每个Filter固定取1个值，那么有多少个Filter，Pooling层就有多少个神经元，这样就可以把全联接层神经元个数固定住（如图2所示），这个优点也是非常重要的。

图2. Pooling层神经元个数等于Filters个数

但是，CNN模型采取MaxPooling Over TIme也有一些值得注意的缺点：首先就如上所述，特征的位置信息在这一步骤完全丢失。在卷积层其实是保留了特征的位置信息的，但是通过取唯一的最大值，现在在Pooling层只知道这个最大值是多少，但是其出现位置信息并没有保留；另外一个明显的缺点是：有时候有些强特征会出现多次，比如我们常见的TF.IDF公式，TF就是指某个特征出现的次数，出现次数越多说明这个特征越强，但是因为Max Pooling只保留一个最大值，所以即使某个特征出现多次，现在也只能看到一次，就是说同一特征的强度信息丢失了。这是Max Pooling Over Time典型的两个缺点。

其实，我们常说“危机危机”，对这个词汇乐观的解读是“危险就是机遇”。同理，发现模型的缺点是个好事情，因为创新往往就是通过改进模型的缺点而引发出来的。那么怎么改进Pooling层的机制能够缓解上述问题呢？下面两个常见的改进Pooling机制就是干这个事情的。