关于label smoothing(标签平滑)

目的：

        label smoothing常用于分类任务，防止模型在训练中过拟合，提高模型的泛化能力。

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意义：

        对于分类问题，我们通常使用one-hot编码，“非黑即白”，标签向量的目标类别概率为1，非目标类别概率为0：

        神经网络在分类任务中会输出当前输入对应每个类别的置信度分数，通过softmax对这些分数进行归一化处理，最终可以得到当前输入数据对应每一个类别的概率。

        然后计算交叉熵损失函数：

        这就会导致真实标签与其他标签之间的关系被忽略，模型无法学到更多的东西；这样训练得到的模型泛化能力会很差；处理样本相似度较高、数据噪声较大的数据集等分类问题时，模型容易受到影响。

        针对这些问题，研究学者提出了label smoothing方法。

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label smoothig(标签平滑)：

        label smoothing的提出很好的解决了上述问题，主要是通过减少实际样本标签的类别在计算损失函数时的权重，来抑制过拟合问题。

        增加标签平滑后的概率分布就变为：

        交叉熵损失函数就变为：

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优缺点：

label smoothing优点：

一定程度上缓解了模型过于绝对的问题（‘非黑即白’）；

增强了模型的泛化能力；

体现了训练数据中类别之间的亲疏关系。

label smoothing缺点：

随机噪声的添加并不能完全反映label之间的关系，甚至会导致模型欠拟合。

参考文献：

C. -B. Zhang et al. , Delving Deep Into Label Smoothing.

代码实现：

import torch.nn.functional as F

def linear_combination(x, y, epsilon):
    return epsilon * x + (1 - epsilon) * y


def reduce_loss(loss, reduction='mean'):
    return loss.mean() if reduction == 'mean' else loss.sum() if reduction == 'sum' else loss


class LabelSmoothingCrossEntropy(nn.Module):
    def __init__(self, epsilon: float = 0.1, reduction='mean'):
        super().__init__()
        self.epsilon = epsilon
        self.reduction = reduction

    def forward(self, preds, target):
        n = preds.size()[-1]
        log_preds = F.log_softmax(preds, dim=-1)
        loss = reduce_loss(-log_preds.sum(dim=-1), self.reduction)
        nll = F.nll_loss(log_preds, target, reduction=self.reduction)
        return linear_combination(loss / n, nll, self.epsilon)