Margin Based Loss

目录

17-ICCV-Sampling Matters in Deep Embedding Learning

Preliminaries

contrastive loss

triplet loss

hard negative mining

semi-hard negative mining

Distance weighted sampling

Margin based loss

Relationship to isotonic regression

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17-ICCV-Sampling Matters in Deep Embedding Learning

Preliminaries

感觉这篇论文的主要贡献应该是后面提出的损失函数（把contrastive和triplet结合在一起了），而不是前面的采样策略，这种“均匀”的采样策略几乎和其他所有论文使用困难（非平凡）样本矛盾了。

contrastive loss

正样本尽可能近，负样本被固定距离α隔开

visually diverse classes are embedded in the same small space as visually similar ones. The embedding space does not allow for distortions.

triplet loss

loss+sampling strategy

1. embedding space to be arbitrarily distorted
2. does not impose a constant margin α

hard negative mining

——>模型坍塌

semi-hard negative mining

online selection：one triplet is sampled for every (a, p) pair

offline selection：a batch has 1=3 of images as anchors, positives, and negatives respectively

如果有正确的采样策略，简单的pairwse loss也是高效的。

Distance weighted sampling
 

n维单位球面成对距离分布：球面上取一固定点a，随机在球面上另选一点，这个点和a之间距离（余弦距离？球面上的距离？）为d的概率

在高维空间中q(d)接近正态分布

 

如果负样本均匀分散，随机抽样最可能得到的样本；阈值<，没有loss，训练不会有进展。

 负样本梯度

决定梯度方向，如果很小（困难样本），有噪音z，梯度方向会被噪音主导。

在anchor为a时负样本n被选中的概率

1. 根据距离均匀采样，权重（采样概率与出现的概率成反比，随机采样到的概率越大乘的权重越小才能保证均匀）【 避免采样都聚集在】
2. 用λ切断权重采样【过近或过远的样本随机采样到的概率较小，对应的权重 会比较大。为了避免噪音样本，设定λ限制两端的样本权重不会过大】

距离加权采样提供较大的距离范围，在控制方差的同时，稳定地生成信息丰富的示例。

  def inverse_sphere_distances(self, batch, anchor_to_all_dists, labels, anchor_label):
            dists        = anchor_to_all_dists
            bs,dim       = len(dists),batch.shape[-1]

            #negated log-distribution of distances of unit sphere in dimension 
            log_q_d_inv = ((2.0 - float(dim)) * torch.log(dists) - (float(dim-3) / 2) * torch.log(1.0 - 0.25 * (dists.pow(2))))
            log_q_d_inv[np.where(labels==anchor_label)[0]] = 0

            q_d_inv     = torch.exp(log_q_d_inv - torch.max(log_q_d_inv)) # - max(log) for stability
            q_d_inv[np.where(labels==anchor_label)[0]] = 0

            ### NOTE: Cutting of values with high distances made the results slightly worse. It can also lead to
            # errors where there are no available negatives (for high samples_per_class cases).
            # q_d_inv[np.where(dists.detach().cpu().numpy()>self.upper_cutoff)[0]]    = 0

            q_d_inv = q_d_inv/q_d_inv.sum()
            return q_d_inv.detach().cpu().numpy()

【实际实现：权重log分布，没有λ切断可能更好】

Margin based loss

• triplet loss没有预设阈值α分离相似和不相似的图片，灵活的扭曲空间容忍异常值，适应不同水平的不同类的类内方差。
• triplet loss只需要正样本距离anchor比负样本近，contrastive loss使所有正样本尽量近是没必要的（细粒度识别允许类内差异，图像检索只需要相对关系）。
• hard negative mining易导致模型坍塌：困难正样本对大吸引梯度，困难负样本对小排斥梯度，所有点聚在同一点（4b）。
• 真实距离代替平方距离，对所有嵌入的梯度长度都为1（4c）。

basic idea：ordinal regression关注相对顺序，不是绝对距离。Isotonic regression（保序回归）单独估计阈值，根据阈值惩罚分数。这里应用到成对距离而不是分数函数上：

1. 在contrastive loss基础上，正样本距离在范围内即可而不是尽可能的近
2. 为了获得和triplet loss的灵活性，增加了灵活边界参数 偏置β【直白点说就是现在正负样本对距离都有优化目标了，而且他们的优化目标还有相同参数，像triplet作差以后>=2α，就有了triplet的特性了】

共同学习，

 >0，=1；否则=0

 β越大越能更好的使用嵌入空间，需要正则化β

Relationship to isotonic regression

优化margin based loss=解决距离的排序问题