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   -> 人工智能 -> Pytorch 常见损失函数实现 -> 正文阅读

[人工智能]Pytorch 常见损失函数实现

1.CrossEntropyLoss()函数

1.1.基本计算公式

1.2.Pytorch自带计算

Pytorch中计算的交叉熵:

其中自带的CrossEntropyLoss()函数的主要是将softmax-log-NLLLoss合并到一块得到的结果:

  1. Softmax后的数值都在0~1之间,所以ln之后值域是负无穷到0
  2. 然后将Softmax之后的结果取log,将乘法改成加法减少计算量,同时保障函数的单调性
  3. NLLLoss的结果就是把上面的输出与Label对应的那个值拿出来,去掉负号,再求均值。
nn.CrossEntropyLoss(weight: Optional[Tensor] = None, size_average=None,
         ignore_index: int = -100,reduce=None, reduction: str = 'mean')
  • weight(tensor): 1-D tensor,n个元素,分别代表n类的权重,如果你的训练样本很不均衡的话,是非常有用的。默认值为None。
  • input : 包含每个类的得分,2-D tensor,shape为 batch*n
  • target: 大小为 n 的 1—D tensor,包含类别的索引(0到 n-1)。

2.Focal Loss

2.1.基本计算公式基本计算表达式:

2.2.Pytorch实现

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torch.autograd import Variable

class FocalLoss(nn.Module):
    r"""
        Args:
            alpha(1D Tensor, Variable) : the scalar factor for this criterion
            gamma(float, double) : gamma > 0; reduces the relative loss for 
            	well-classi?ed examples (p > .5), putting more focus on hard, 
            	misclassi?ed examples
            size_average(bool): By default, the losses are averaged over observations
            	 for each minibatch.However, if the field size_average is set to False, 
            	 the losses are instead summed for each minibatch.
    """
    def __init__(self, class_num, alpha=None, gamma=2, size_average=True):
        super(FocalLoss, self).__init__()
        if alpha is None:
            self.alpha = Variable(torch.ones(class_num, 1))
        else:
            if isinstance(alpha, Variable):
                self.alpha = alpha
            else:
                self.alpha = Variable(alpha)
        self.gamma = gamma
        self.class_num = class_num
        self.size_average = size_average

    def forward(self, inputs, targets):
        N = inputs.size(0)
        C = inputs.size(1)
        P = F.softmax(inputs)

        class_mask = inputs.data.new(N, C).fill_(0)
        class_mask = Variable(class_mask)
        ids = targets.view(-1, 1)
        class_mask.scatter_(1, ids.data, 1.)
        #print(class_mask)


        if inputs.is_cuda and not self.alpha.is_cuda:
            self.alpha = self.alpha.cuda()
        alpha = self.alpha[ids.data.view(-1)]

        probs = (P*class_mask).sum(1).view(-1,1)

        log_p = probs.log()
        #print('probs size= {}'.format(probs.size()))
        #print(probs)

        batch_loss = -alpha*(torch.pow((1-probs), self.gamma))*log_p 
        #print('-----bacth_loss------')
        #print(batch_loss)


        if self.size_average:
            loss = batch_loss.mean()
        else:
            loss = batch_loss.sum()
        return loss

参考:知乎专栏/Focal Loss 的Pytorch 实现以及实验

3.二分类Dice Loss

3.1.基本计算公式



以此计算二分类损失,X为预测每个像素点的概率值,Y为真实值,是一个同等大小的0/1矩阵,二者相乘即为X∩Y,再将每个元素求和得到|X∩Y|
当一个批次有 N 张图片时,可以将图片压缩为一维向量,对应的 label 也做相应的变换,最后一起计算 N张图片的 Dice 系数 和 Loss。

3.2.Pytorch实现

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import numpy as np


def make_one_hot(input, num_classes):
    """Convert class index tensor to one hot encoding tensor.
    Args:
         input: A tensor of shape [N, 1, *]
         num_classes: An int of number of class
    Returns:
        A tensor of shape [N, num_classes, *]
    """
    shape = np.array(input.shape)
    shape[1] = num_classes
    shape = tuple(shape)
    result = torch.zeros(shape)
    result = result.scatter_(1, input.cpu(), 1)

    return result


class BinaryDiceLoss(nn.Module):
    """Dice loss of binary class
    Args:
        smooth: A float number to smooth loss, and avoid NaN error, default: 1
        p: Denominator value: \sum{x^p} + \sum{y^p}, default: 2
        predict: A tensor of shape [N, *]
        target: A tensor of shape same with predict
        reduction: Reduction method to apply, return mean over batch if 'mean',
            return sum if 'sum', return a tensor of shape [N,] if 'none'
    Returns:
        Loss tensor according to arg reduction
    Raise:
        Exception if unexpected reduction
    """
    def __init__(self, smooth=1, p=2, reduction='mean'):
        super(BinaryDiceLoss, self).__init__()
        self.smooth = smooth
        self.p = p
        self.reduction = reduction

    def forward(self, predict, target):
        assert predict.shape[0] == target.shape[0], "predict & target batch size don't match"
        predict = predict.contiguous().view(predict.shape[0], -1)
        target = target.contiguous().view(target.shape[0], -1)

        num = torch.sum(torch.mul(predict, target), dim=1) + self.smooth
        den = torch.sum(predict.pow(self.p) + target.pow(self.p), dim=1) + self.smooth

        loss = 1 - num / den

        if self.reduction == 'mean':
            return loss.mean()
        elif self.reduction == 'sum':
            return loss.sum()
        elif self.reduction == 'none':
            return loss
        else:
            raise Exception('Unexpected reduction {}'.format(self.reduction))


参考:GitHub/hubutui/DiceLoss-PyTorch

4.多分类Dice Loss损失函数

4.1.基本计算思路

当有多个分类时,label 通过 one hot 转化为多个二分类,如下图所示:

每个channel 切面,可以看作是一个二分类问题,所以多分类 DiceLoss 损失函数,可以通过计算每个类别的二分类 DiceLoss 损失,最后再求均值得到。

4.2.Pytorch实现

class DiceLoss(nn.Module):
    """Dice loss, need one hot encode input
    Args:
        weight: An array of shape [num_classes,]
        ignore_index: class index to ignore
        predict: A tensor of shape [N, C, *]
        target: A tensor of same shape with predict
        other args pass to BinaryDiceLoss
    Return:
        same as BinaryDiceLoss
    """
    def __init__(self, weight=None, ignore_index=None, **kwargs):
        super(DiceLoss, self).__init__()
        self.kwargs = kwargs
        self.weight = weight
        self.ignore_index = ignore_index

    def forward(self, predict, target):
        assert predict.shape == target.shape, 'predict & target shape do not match'
        dice = BinaryDiceLoss(**self.kwargs)
        total_loss = 0
        predict = F.softmax(predict, dim=1)

        for i in range(target.shape[1]):
            if i != self.ignore_index:
                dice_loss = dice(predict[:, i], target[:, i])
                if self.weight is not None:
                    assert self.weight.shape[0] == target.shape[1], \
                        'Expect weight shape [{}], get[{}]'.format(target.shape[1], self.weight.shape[0])
                    dice_loss *= self.weights[i]
                total_loss += dice_loss

        return total_loss/target.shape[1]

参考:GitHub/hubutui/DiceLoss-PyTorch

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