深入理解二分类和多分类CrossEntropy Loss和Focal Loss

简介: 多分类交叉熵就是对二分类交叉熵的扩展,在计算公式中和二分类稍微有些许区别,但是还是比较容易理解

深入理解二分类和多分类CrossEntropy Loss和Focal Loss


二分类交叉熵


在二分的情况下,模型最后需要预测的结果只有两种情况,对于每个类别我们的预测得到的概率为p和 1−p,此时表达式为( 的log ⁡底数是e):


image.png


其中:


  • y i  —— 表示样本i的label,正类为1 ,负类为0
  • p i  —— 表示样本i 预测为正类的概率


由于二分类交叉熵很容易理解,在此就不做举例了。


多分类交叉熵


多分类交叉熵就是对二分类交叉熵的扩展,在计算公式中和二分类稍微有些许区别,但是还是比较容易理解,具体公式如下所示:


image.png


其中:


  • M——类别的数量
  • y i c ——符号函数(0或1 ),如果样本i 的真实类别等于c 取 1,否则取 0
  • p i c ——观测样本i ii属于类别c cc的预测概率


举例说明


预测(已经经过softmax归一化) 真实
0.1 0.2 0.7 0 0 1
0.3 0.4 0.3 0 1 0
0.1 0.2 0.7 1 0 0


现在我们利用这个表达式计算上面例子中的损失函数值:


image.png


其实可以看到,多分类交叉熵只计算正确标签对应概率的损失值,相对错误标签其y i c = 0 ,所以导致错误标签对应的损失值为0。


Pytorch的CrossEntropyLoss分析


参数设定


CrossEntropyLoss在Pytorch官网中,我们可以看到整个文档已经对该函数CrossEntropyLoss进行了较充分的解释。所以我们简要介绍其参数和传入的值的格式,特别是针对多分类的情况。


c7fa99e78be54762b5bf1b474bd98891.png


常见的传入参数如下所示:


  • weight:传入的是一个list或者tensor,其检索对应位置的值为该类的权重。注意,如果是GPU的环境下,则传入的值必须是tensor,并且其应该在GPU中。


  • reduction:传入的是一个字符串,有三种形式可以选择,分别是mean/sum/none,默认是mean。mean和sum如字面意思所示,代表损失值取平均,损失值求和的形式。none是计算每个位置对应的损失值,返回和label对应的形状。


更多参数解释如下图所示:


6a8cd63961694fc0a041640f90b027ce.png


使用方法


CrossEntropyLoss传入的值为两个,分别是input和target。输出只有一个Output。


  • input的形状为( N , C ) / ( N , C , d 1 , d 1 , … ) ,前者对应二维情况,后者对应高维情况,值得注意的是C是在dim=1的位置上,可能在高维的情况下很多人都以为默认应该是最后一个维度dim=-1。


  • target的形状为( N ) / ( N, d 1 , d 1 , … ) ,前者对应二维情况,后者对应高维情况。注意的是target的值对应的是类别对应的索引,不是one-hot的形式。


  • Output的形状和target的形状一致。


更多参数解释如下图所示:


9d7ec8d1228f4bb49cf67247b06fb6e5.png


二维情况下对应的5分类交叉熵损失计算(官网示例):


>>> # Example of target with class indices
>>> loss = nn.CrossEntropyLoss()
>>> input = torch.randn(3, 5, requires_grad=True)
>>> target = torch.empty(3, dtype=torch.long).random_(5)
>>> output = loss(input, target)
>>> output.backward()
>>>
>>> # Example of target with class probabilities
>>> input = torch.randn(3, 5, requires_grad=True)
>>> target = torch.randn(3, 5).softmax(dim=1)
>>> output = loss(input, target)
>>> output.backward()


高维情况下对应的交叉熵计算:


input = torch.randn(2,3,5,5,4)#最后一个维度对应的是类别
target = torch.empty(2,3,5,5, dtype=torch.long).random_(4) #四分类
loss_fn=CrossEntropyLoss(reduction='sum')
_input=torch.permute(input,dims=(0,-1,1,2,3))
loss=loss_fn(_input,target)#输入的类别一定是在dim=1的位置上
print(loss)
# 当然也可以将输入先转为2维的形式在计算,结果是一样的
_input=input.view(-1,4)
_target=target.view(-1)
loss=loss_fn(_input,_target)
print(loss)


内在原理


Pytorch中的CrossEntropyLoss()是将logSoftmax()和NLLLoss()函数进行合并的,也就是说其内在实现就是基于logSoftmax()和NLLLoss()这两个函数。


input=torch.rand(3,5)
target=torch.empty(3,dtype=torch.long).random_(5)
loss_fn=CrossEntropyLoss(reduction='sum')
loss=loss_fn(input,target)
print(loss)
_input=torch.nn.LogSoftmax(dim=1)(input)
loss=torch.nn.NLLLoss(reduction='sum')(_input,target)
print(loss)


其实也就是和官网上所说的一样,CrossEntropyLoss()是对输出计算softmax(),在对结果取log()对数,最后使用NLLLoss()得到对应位置的索引值。


Focal Loss原理和实现


Focal Loss来自于论文Focal Loss for Dense Object Detection,用于解决类别样本不平衡以及困难样本挖掘的问题,其公式非常简洁:


image.png


前面的 α t 是类别权重系数。如果你有一个类别不平衡的数据集,那么你肯定想对数量少的那一类在loss贡献上赋予一个高权重,这个 α t就起到这样的作用。因此, α t应该是一个向量,向量的长度等于类别的个数,用于存放各个类别的权重。一般来说α t中的值为每一个类别样本数量的倒数,相当于平衡样本的数量差距。


这里提供一个二维/高维的Focal Loss的实现:


class FocalLoss(nn.Module):
    def __init__(self, gamma=2, alpha=torch.tensor([0.2, 0.3, 0.5,1])):
        super(FocalLoss, self).__init__()
        self.gamma = gamma
        self.alpha = alpha
    def forward(self, input, target):
        logpt = nn.functional.log_softmax(input, dim=1) #计算softmax后在计算log
        pt = torch.exp(logpt) #对log_softmax去exp,把log取消就是概率
        alpha=self.alpha[target].unsqueeze(dim=1) # 去取真实索引类别对应的alpha
        logpt = alpha*(1 - pt) ** self.gamma * logpt #focal loss计算公式
        loss = nn.functional.nll_loss(logpt, target,reduction='sum') # 最后选择对应位置的元素
        return loss


参考资料


CrossEntropy官网详细说明。


Pytorch中的CrossEntropyLoss()函数案例解读和结合one-hot编码计算Loss


详解PyTorch实现多分类Focal Loss——带有alpha简洁实现


最近工作

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