[科普中国]-卷积层

卷积神经网络中每层卷积层（Convolutional layer）由若干卷积单元组成，每个卷积单元的参数都是通过反向传播算法最佳化得到的。卷积运算的目的是提取输入的不同特征，第一层卷积层可能只能提取一些低级的特征如边缘、线条和角等层级，更多层的网路能从低级特征中迭代提取更复杂的特征。

卷积神经网络卷积神经网络（Convolutional Neural Network,CNN）是一种前馈神经网络，它的人工神经元可以响应一部分覆盖范围内的周围单元，对于大型图像处理有出色表现。

卷积神经网络由一个或多个卷积层和顶端的全连通层（对应经典的神经网络）组成，同时也包括关联权重和池化层（pooling layer）。这一结构使得卷积神经网络能够利用输入数据的二维结构。与其他深度学习结构相比，卷积神经网络在图像和语音识别方面能够给出更好的结果。这一模型也可以使用反向传播算法进行训练。相比较其他深度、前馈神经网络，卷积神经网络需要考量的参数更少，使之成为一种颇具吸引力的深度学习结构。1

卷积神经网络结构卷积层卷积层（Convolutional layer），卷积神经网络中每层卷积层由若干卷积单元组成，每个卷积单元的参数都是通过反向传播算法最佳化得到的。卷积运算的目的是提取输入的不同特征，第一层卷积层可能只能提取一些低级的特征如边缘、线条和角等层级，更多层的网路能从低级特征中迭代提取更复杂的特征。

线性整流层线性整流层（Rectified Linear Units layer, ReLU layer）使用线性整流（Rectified Linear Units, ReLU） 作为这一层神经的激励函数（Activation function）。它可以增强判定函数和整个神经网络的非线性特性，而本身并不会改变卷积层。

事实上，其他的一些函数也可以用于增强网络的非线性特性，如双曲正切函数 ， ，或者Sigmoid函数 。相比其它函数来说，ReLU函数更受青睐，这是因为它可以将神经网络的训练速度提升数倍，而并不会对模型的泛化准确度造成显著影响。

池化层(Pooling Layer)池化（Pooling）是卷积神经网络中另一个重要的概念，它实际上是一种形式的降采样。有多种不同形式的非线性池化函数，而其中“最大池化（Max pooling）”是最为常见的。它是将输入的图像划分为若干个矩形区域，对每个子区域输出最大值。直觉上，这种机制能够有效地原因在于，在发现一个特征之后，它的精确位置远不及它和其他特征的相对位置的关系重要。池化层会不断地减小数据的空间大小，因此参数的数量和计算量也会下降，这在一定程度上也控制了过拟合。通常来说，CNN的卷积层之间都会周期性地插入池化层。

池化层通常会分别作用于每个输入的特征并减小其大小。目前最常用形式的池化层是每隔2个元素从图像划分出 的区块，然后对每个区块中的4个数取最大值。这将会减少75%的数据量。

除了最大池化之外，池化层也可以使用其他池化函数，例如“平均池化”甚至“L2-范数池化”等。过去，平均池化的使用曾经较为广泛，但是最近由于最大池化在实践中的表现更好，平均池化已经不太常用。

由于池化层过快地减少了数据的大小，目前文献中的趋势是使用较小的池化滤镜，甚至不再使用池化层。

损失函数层损失函数层（loss layer）用于决定训练过程如何来“惩罚”网络的预测结果和真实结果之间的差异，它通常是网络的最后一层。各种不同的损失函数适用于不同类型的任务。例如，Softmax交叉熵损失函数常常被用于在K个类别中选出一个，而Sigmoid交叉熵损失函数常常用于多个独立的二分类问题。欧几里德损失函数常常用于结果取值范围为任意实数的问题。2

卷积神经网络的应用影像辨识卷积神经网络通常在图像分析（image analysis）和图像处理（image processing）领域中使用。关系密切，两者有一定程度的交叉，但是又有所不同。图像处理侧重于信号处理方面的研究，比如图像对比度的调节、图像编码、去噪以及各种滤波的研究。但是图像分析更侧重点在于研究图像的内容，包括但不局限于使用图像处理的各种技术，它更倾向于对图像内容的分析、解释、和识别。因而，图像分析和计算机科学领域中的模式识别、计算机视觉关系更密切一些。

图像分析一般利用数学模型并结合图像处理的技术来分析底层特征和上层结构，从而提取具有一定智能性的信息。

图像分析研究的领域一般包括：

基于内容的图像检索（CBIR-Content Based Image Retrieval）

人脸识别（face recognition）

表情识别（emotion recognition）

光学字符识别（OCR-Optical Character Recognition）

手写体识别（handwriting recognition）

医学图像分析（biomedical image analysis）

视频对象提取（video object extraction）

自然语言处理卷积神经网络也常被用于自然语言处理。 CNN的模型被证明可以有效的处理各种自然语言处理的问题，如语义分析、搜索结果提取、句子建模、分类、预测、和其他传统的NLP任务等。

自然语言处理（英语：natural language processing，缩写作NLP）是人工智能和语言学领域的分支学科。此领域探讨如何处理及运用自然语言；自然语言认知则是指让电脑“懂”人类的语言。

自然语言生成系统把计算机数据转化为自然语言。自然语言理解系统把自然语言转化为计算机程序更易于处理的形式。

自然语言处理研究的领域一般包括：

文本朗读（Text to speech）/语音合成（Speech synthesis）

语音识别（Speech recognition）

中文自动分词（Chinese word segmentation）

词性标注（Part-of-speech tagging）

句法分析（Parsing）

自然语言生成（Natural language generation）

文本分类（Text categorization）

信息检索（Information retrieval）

信息抽取（Information extraction）

文字校对（Text-proofing）

问答系统（Question answering）

给一句人类语言的问句，决定其答案。 典型问题有特定答案 (像是加拿大的首都叫什么?)，但也考虑些开放式问句(像是人生的意义是是什么?)

机器翻译（Machine translation）

将某种人类语言自动翻译至另一种语言

自动摘要（Automatic summarization）

产生一段文字的大意，通常用于提供已知领域的文章摘要，例如产生报纸上某篇文章之摘要

文字蕴涵（Textual entailment）2

药物发现卷积神经网路已在药物发现中使用。卷积神经网络被用来预测的分子与蛋白质之间的相互作用，以此来寻找靶向位点，寻找出更可能安全和有效的潜在治疗方法。

围棋参见：AlphaGo李世乭五番棋

卷积神经网路在计算机围棋领域也被使用。2016年3月，AlphaGo对战李世乭的比赛，展示了深度学习在围棋领域的重大突破。2

可用包Caffe: Caffe包含了CNN使用最广泛的库。它由伯克利视觉和学习中心（BVLC）研发，拥有比一般实现更好的结构和更快的速度。同时支持CPU和GPU计算，底层由C++实现，并封装了Python和MATLAB的接口。

Torch7（www.torch.ch）

OverFeat

Cuda-convnet

MatConvnet

Theano：用Python实现的神经网络包

TensorFlow

Paddlepaddle

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学