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[人工智能]记录Dice Loss的几种pytorch实现方式

标准版本:

import torch
from torch import Tensor
import torch.nn.functional as F

def dice_coeff(input: Tensor, target: Tensor, reduce_batch_first: bool = False, epsilon=1e-6):
    # Average of Dice coefficient for all batches, or for a single mask
    assert input.size() == target.size()
    if input.dim() == 2 and reduce_batch_first:
        raise ValueError(f'Dice: asked to reduce batch but got tensor without batch dimension (shape {input.shape})')

    if input.dim() == 2 or reduce_batch_first:
        inter = torch.dot(input.reshape(-1), target.reshape(-1))
        sets_sum = torch.sum(input) + torch.sum(target)
        if sets_sum.item() == 0:
            sets_sum = 2 * inter

        return (2 * inter + epsilon) / (sets_sum + epsilon)
    else:
        # compute and average metric for each batch element
        dice = 0
        for i in range(input.shape[0]):
            dice += dice_coeff(input[i, ...], target[i, ...])
        return dice / input.shape[0]


def multiclass_dice_coeff(input: Tensor, target: Tensor, reduce_batch_first: bool = False, epsilon=1e-6):
    # Average of Dice coefficient for all classes
    assert input.size() == target.size()
    dice = 0
    for channel in range(input.shape[1]):
        dice += dice_coeff(input[:, channel, ...], target[:, channel, ...], reduce_batch_first, epsilon)

    return dice / input.shape[1]


def dice_loss(input: Tensor, target: Tensor, multiclass: bool = False):
    # Dice loss (objective to minimize) between 0 and 1
    assert input.size() == target.size()
    fn = multiclass_dice_coeff if multiclass else dice_coeff
    return 1 - fn(input, target, reduce_batch_first=True)
if __name__=="__main__":
//masks_pred表示模型的预测结果,true_masks表示真实标签   此处在多分类情况下,如果标签维度仅为(b,h,w),则需要onehot编码,增加channel维度,保持标签与预测结果的size一致
	dice_loss(F.softmax(masks_pred, dim=1).float(), F.one_hot(true_masks, net.n_classes).permute(0, 3, 1, 2).float(), multiclass=True)

简单版本(需要保持预测结果logits与标签targets的size一致):

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class SoftDiceLoss(nn.Module):
    def __init__(self, weight=None, size_average=True):
        super(SoftDiceLoss, self).__init__()
 
    def forward(self, logits, targets):
        num = targets.size(0)
        smooth = 1
        
        probs = F.sigmoid(logits)
        m1 = probs.view(num, -1)
        m2 = targets.view(num, -1)
        intersection = (m1 * m2)
 
        score = 2. * (intersection.sum(1) + smooth) / (m1.sum(1) + m2.sum(1) + smooth)
        score = 1 - score.sum() / num
        return score

简化版本:
利用了pytorch的广播机制
pred与target通道需要保持一致(此处用在图像分割中,默认类别是互斥的,非多通道二分类)

def dice_loss(pred, target, smooth = 1.):
    pred = pred.contiguous()
    target = target.contiguous()    

    intersection = (pred * target).sum(dim=2).sum(dim=2)
    
    loss = (1 - ((2. * intersection + smooth) / (pred.sum(dim=2).sum(dim=2) + target.sum(dim=2).sum(dim=2) + smooth)))
    
    return loss.mean()

由于广播机制,此处1-torch.mean()与(1-torch).mean()结果是相同的

注意:上述dice loss方法,涉及到了pred与target保持size一致的方式。实际分割任务中target的size与所使用的loss函数有关:
多分类使用交叉熵–torch.nn.CrossEntropyLoss,此时target不需要channel,所以在后续加dice loss的时候,需要通过F.one_hot()函数处理target,保持size与pred一致
多标签二分类通常使用torch.nn.BCEWithLogitsLoss,该函数要求target与pred的size一致,一般我们在自定义的ataloder中就会对label进行维度处理,或者在loss计算前处理。后续加dice loss,不需要再onehot了。

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