class FocalLoss(nn.Module):
def __init__(self, apply_nonlin=None, alpha=None, gamma=2, balance_index=0, smooth=1e-5, size_average=True,cuda=False):
super(FocalLoss, self).__init__()
self.apply_nonlin = apply_nonlin
self.alpha = alpha
self.gamma = gamma
self.balance_index = balance_index
self.smooth = smooth
self.size_average = size_average
self.cuda = cuda
if self.smooth is not None:
if self.smooth < 0 or self.smooth > 1.0:
raise ValueError('smooth value should be in [0,1]')
def forward(self, pred, target):
if self.apply_nonlin is not None:
pred = self.apply_nonlin(pred)
num_class = pred.shape[1]
#判断pred的维度是否大于2
if pred.dim() > 2:
# N,C,d1,d2 -> N,C,m (m=d1*d2*...)
#将输入的维度修改为N,C,d1,d2 -> N,C,m
pred = pred.view(pred.size(0), pred.size(1), -1)
#-->在上面的pred函数中我们得到pred的维度是N,C,m,
#-->permute函数是百年换tensor的维度 -- N,C,m --> N,m,C
#--contiguous函数会拷贝一份变换前的输入
pred = pred.permute(0, 2, 1).contiguous()
#-->同样是将输入同一输入维度--N,m,C --> N*m行C列 限定在一个矩阵内
pred = pred.view(-1, pred.size(-1))
# torch.squeeze(input,dim,out)
#--> torch.squeeze 同样是压缩数据的维度
target = torch.squeeze(target, 1)
#--> 将输出的target维度限制1列
target = target.view(-1, 1)
#print(pred.shape, target.shape)
alpha = self.alpha
if alpha is None:
#-->alpha-全1(维度为:输入类别数行,1列)
alpha = torch.ones(num_class, 1)
# isinstance() 函数,是Python中的一个内置函数,用来判断一个函数是否是一个已知的类型。
#isinstance(a,(str,int,list)) a的类型是元组中的一个,结果返回 True
#如果对象的类型与参数二的类型相同则返回 True,否则返回 False。
elif isinstance(alpha, (list, np.ndarray)):
# assert 检查程序,不符合条件即终止程序
assert len(alpha) == num_class
# 将alpha的维度限制在num_class行1列,具体数值为alpha
alpha = torch.FloatTensor(alpha).view(num_class, 1)
#alpha.sum()是一个数,因为alpha为n行一列的数,所以alpha.sum是alpha的和
alpha = alpha / alpha.sum()
elif isinstance(alpha, float):
#alpha是Num_class行1列的全一的矩阵
alpha = torch.ones(num_class, 1)
# 一般alpha取0.25,故alpha等于n行1列全是0.75的数
alpha = alpha * (1 - self.alpha)
alpha[self.balance_index] = self.alpha
else:
raise TypeError('Not support alpha type')
'''
if cuda:
alpha = torch.from_numpy(alpha).type(torch.FloatTensor).cuda()
else:
alpha = torch.from_numpy(alpha).type(torch.FloatTensor)
'''
#if alpha.device != pred.device:
alpha = alpha.to(pred.device)
#转变成long类型
idx = target.cpu().long()
one_hot_key = torch.FloatTensor(target.size(0), num_class).zero_()
one_hot_key = one_hot_key.scatter_(1, idx, 1)
#if one_hot_key.device != pred.device:
one_hot_key = one_hot_key.to(pred.device)
if self.smooth:
one_hot_key = torch.clamp(
one_hot_key, self.smooth / (num_class - 1), 1.0 - self.smooth)
pt = (one_hot_key * pred).sum(1) + self.smooth
logpt = pt.log()
gamma = self.gamma
alpha = alpha[idx]
alpha = torch.squeeze(alpha)
loss = -1 * alpha * torch.pow((1 - pt), gamma) * logpt
if self.size_average:
loss = loss.mean()
else:
loss = loss.sum()
return loss
版本二
class focal_loss(nn.Module):
def __init__(self, alpha=0.25, gamma=2, num_classes=5, size_average=True):
"""
focal_loss损失函数, -α(1-yi)**γ *ce_loss(xi,yi)
步骤详细的实现了 focal_loss损失函数.
:param alpha: 阿尔法α,类别权重. 当α是列表时,为各类别权重,当α为常数时,类别权重为[α, 1-α, 1-α, ....],常用于 目标检测算法中抑制背景类 , retainnet中设置为0.255
:param gamma: 伽马γ,难易样本调节参数. retainnet中设置为2
:param num_classes: 类别数量
:param size_average: 损失计算方式,默认取均值
"""
super(focal_loss, self).__init__()
self.size_average = size_average
if isinstance(alpha, list):
assert len(alpha) == num_classes # α可以以list方式输入,size:[num_classes] 用于对不同类别精细地赋予权重
print(" --- Focal_loss alpha = {}, 将对每一类权重进行精细化赋值 --- ".format(alpha))
self.alpha = torch.Tensor(alpha)
else:
assert alpha < 1 # 如果α为一个常数,则降低第一类的影响,在目标检测中为第一类
print(" --- Focal_loss alpha = {} ,将对背景类进行衰减,请在目标检测任务中使用 --- ".format(alpha))
self.alpha = torch.zeros(num_classes)
self.alpha[0] += alpha
self.alpha[1:] += (1 - alpha) # α 最终为 [ α, 1-α, 1-α, 1-α, 1-α, ...] size:[num_classes]
self.gamma = gamma
def forward(self, preds, labels):
"""
focal_loss损失计算
:param preds: 预测类别. size:[B,N,C] or [B,C] 分别对应与检测与分类任务, B批次, N检测框数, C类别数
:param labels: 实际类别. size:[B,N] or [B] [B*N个标签(假设框中有目标)],[B个标签]
:return:
"""
# 固定类别维度,其余合并(总检测框数或总批次数),preds.size(-1)是最后一个维度
preds = preds.view(-1, preds.size(-1))
self.alpha = self.alpha.to(preds.device)
# 使用log_softmax解决溢出问题,方便交叉熵计算而不用考虑值域
preds_logsoft = F.log_softmax(preds, dim=1)
# log_softmax是softmax+log运算,那再exp就算回去了变成softmax
preds_softmax = torch.exp(preds_logsoft)
# 这部分实现nll_loss ( crossentropy = log_softmax + nll)
preds_softmax = preds_softmax.gather(1, labels.view(-1, 1))
preds_logsoft = preds_logsoft.gather(1, labels.view(-1, 1))
self.alpha = self.alpha.gather(0, labels.view(-1))
# torch.pow((1-preds_softmax), self.gamma) 为focal loss中 (1-pt)**γ
# torch.mul 矩阵对应位置相乘,大小一致
loss = -torch.mul(torch.pow((1 - preds_softmax), self.gamma), preds_logsoft)
# torch.t()求转置
loss = torch.mul(self.alpha, loss.t())
# print(loss.size()) [1,5]
if self.size_average:
loss = loss.mean()
else:
loss = loss.sum()
return loss
从上面的公式中我们可以看出,Focal Loss 只支持 0/1 这样的离散类别 label(二分类&多分类问题,0就是一类,1就是一类)。但对于 smooth (比如标签平滑)的 label(分数:0 ~ 1之间)是无能为力的,因此就引申出了 Quality Focal Loss (QFL):
Q F L ( σ ) = − a t ∗ ∣ y − σ ∣ β ∗ [ ( 1 − y ) l o g ( 1 − σ ) + y l o g ( σ ) ] QFL(\sigma) = -a_t * |y - \sigma|^\beta * [(1 - y)log(1 - \sigma)+ylog(\sigma)] QFL(σ)=−at∗∣y−σ∣β∗[(1−y)log(1−σ)+ylog(σ)]
F L ( p t ) = − a t ( 1 − p t ) γ × C E ( p t ) FL(p_t) = - a_t (1- p_t) ^\gamma \times CE(p_t) FL(pt)=−at(1−pt)γ×CE(pt)
其中, y y y是smooth(标签平滑技术)后的label(0~1), σ \sigma σ是预测结果。拆分一下:
a t = y ∗ a + ( 1 − y ) ∗ ( 1 − a ) a_t = y *a + (1-y) * (1 - a) at=y∗a+(1−y)∗(1−a) //平衡正负样本
∣ y − σ ∣ β |y - \sigma|^\beta ∣y−σ∣β //平衡难易样本
C E ( y , σ ) = − [ ( 1 − y ) l o g ( 1 − σ ) + y l o g ( σ ) ] CE(y,\sigma) = -[(1-y)log(1-\sigma) + ylog(\sigma)] CE(y,σ)=−[(1−y)log(1−σ)+ylog(σ)] //CELoss
相比较Focal Loss损失函数,平衡正负样本由最初的 a t = 0.25 a_t=0.25 at=0.25变成了 a t = y ∗ a + ( 1 − y ) ∗ ( 1 − a ) a_t = y *a + (1-y) * (1 - a) at=y∗a+(1−y)∗(1−a) ,平衡难易样本由 ( 1 − p t ) γ (1-p_t)^\gamma (1−pt)γ变成了 ∣ y − σ ∣ β |y - \sigma|^\beta ∣y−σ∣β,最后都是基于CELoss交叉熵损失函数。比如在YOLOv4中,如果对分类损失直接使用Focal Loss存在一定的问题,在实际的训练中,我使用Focal Loss损失函数,训练产生的总损失明显不收敛且不稳定,因为在v4中使用了标签平滑技术,但是QFocal Loss解决了这个问题,总的来说对于发一些应用型的论文期刊,这个改进还是很值得的。
class QFocalLoss(nn.Module):
# Wraps Quality focal loss around existing loss_fcn(), i.e. criteria = FocalLoss(nn.BCEWithLogitsLoss(), gamma=1.5)
def __init__(self, loss_fcn, gamma=1.5, alpha=0.25):
super().__init__()
self.loss_fcn = loss_fcn # 基于 nn.BCEWithLogitsLoss()
self.gamma = gamma
self.alpha = alpha
self.reduction = loss_fcn.reduction
self.loss_fcn.reduction = 'none' # 需要将 FL 应用于每个元素
def forward(self, pred, true):
loss = self.loss_fcn(pred, true)
pred_prob = torch.sigmoid(pred) # prob from logits
alpha_factor = true * self.alpha + (1 - true) * (1 - self.alpha)
modulating_factor = torch.abs(true - pred_prob) ** self.gamma
loss *= alpha_factor * modulating_factor
if self.reduction == 'mean':
return loss.mean()
elif self.reduction == 'sum':
return loss.sum()
else: # 'none'
return loss