pytorch 对特征进行mean_Pytorch中的四种经典Loss源码解析

笔者最近在OneFlow框架对齐实现Pytorch相关Loss代码，其中也涉及到部分源码解读，数学特殊操作等知识，于是想写篇文章简单总结一下。

关于Pytorch的Loss源码

了解过Pytorch的应该知道其历史包袱比较重，它吸收了Caffe2的底层代码，然后自己借用这部分底层代码来写各种OP的逻辑，最后再暴露出一层Python接口供用户使用。

因此第一次接触Pytorch源代码可能有点不太熟悉，基本上Pytorch大部分OP逻辑实现代码都放在 Aten/native下，我们这里主要是根据Loss.cpp来进行讲解

MarginRankingLoss

RankingLoss系列是来计算输入样本的距离，而不像MSELoss这种直接进行回归。其主要思想就是分为 Margin 和 Ranking 。

MarginRankingLoss公式

Margin 这个词是页边空白的意思，平常我们打印的时候，文本内容外面的空白就叫 Margin。

而在Loss中也是表达类似的意思，相当于是一个固定的 范围 ， 当样本距离(即Loss)超过范围，即表示样本差异性足够了 ，不需要再计算Loss。

Ranking 则是排序，当target=1，则说明x1排名需要大于x2；当target=2，则说明x2排名需要大于x1。

其源码逻辑也很简单，就是根据公式进行计算，最后根据reduction类型来进行 reduce_mean/sum

Pytorch的MarginRankingLoss代码

下面是对应的numpy实现代码

def np_margin_ranking_loss(input1, input2, target, margin, reduction):    output = np.maximum(0, -target*(input1 - input2) + margin)    if reduction == "mean":        return np.mean(output)    elif reduction == "sum":        return np.sum(output)    else:        return output

TripletMarginLoss

TripletLoss最早是在 FaceNet 提出的，它是用于衡量不同人脸特征之间的距离，进而实现人脸识别和聚类

TripletLoss

而TripletMarginLoss则是结合了TripletLoss和MarginRankingLoss的思想，具体可参考 Learning local feature descriptors with triplets and shallow convolutional neural networks其公式如下

TripletMarginLoss公式

其中d是p范数函数

距离函数

范数的具体公式是

范数公式

该Loss针对不同样本配对，有以下三种情况

1. 简单样本，即

此时 正样本距离anchor的距离d(ai, pi) + Margin 仍然小于 负样本距离anchor的距离d(ai, ni) ，该情况认为正样本距离足够小，不需要进行优化，因此Loss为0

2. 难样本，即

此时 负样本距离anchor的距离d(ai, ni) 小于 正样本距离anchor的距离d(ai, pi) ，需要优化

3. 半难样本，即

此时虽然 负样本距离anchor的距离d(ai, ni) 大于 正样本距离anchor的距离d(ai, pi) ，但是还不够大，没有超过 Margin，需要优化

此外论文作者还提出了 swap 这个概念，原因是我们公式里 只考虑了anchor距离正类和负类的距离 ，而 没有考虑正类和负类之间的距离 ，考虑以下情况

可能Anchor距离正样本和负样本的距离相同，但是负样本和正样本的距离很近，不利于模型区分，因此会做一个swap，即交换操作，在代码里体现的操作是取最小值。

## 伪代码if swap:  D(a, n) = min(D(a,n), D(p, n))

这样取了最小值后，在Loss计算公式中，Loss值会增大，进一步帮助区分负样本。

有了前面的铺垫，我们理解Pytorch的TripletMarginRankingLoss源码也非常简单

TripletMarginLoss源码

at::pairwise_distance 是距离计算函数，首先计算出了anchor与正类和负类的距离。 然后根据参数 swap ，来确定是否考虑正类和负类之间的距离。最后 output 就是按照公式进行计算，下面是numpy的对应代码

def np_triplet_margin_loss(anchor, postive, negative, margin, swap, reduction="mean", p=2, eps=1e-6):    def _np_distance(input1, input2, p, eps):     # Compute the distance (p-norm)        np_pnorm = np.power(np.abs((input1 - input2 + eps)), p)        np_pnorm = np.power(np.sum(np_pnorm, axis=-1), 1.0 / p)        return np_pnorm    dist_pos = _np_distance(anchor, postive, p, eps)    dist_neg = _np_distance(anchor, negative, p, eps)    if swap:        dist_swap = _np_distance(postive, negative, p, eps)        dist_neg = np.minimum(dist_neg, dist_swap)    output = np.maximum(margin + dist_pos - dist_neg, 0)    if reduction == "mean":        return np.mean(output)    elif reduction == "sum":        return np.sum(output)    else:        return output

这里比较 容易踩坑的是p范数的计算 ，因为当p=2，根据范数的公式， 如果输入有负数是不合法的 ， 比如

于是我们从distance函数开始找线索，发现它是调用 at::norm

pairwise_distance

根据Pytorch的文档，它其实在 计算的时候调用了abs绝对值 ，来避免最后负数出现，从而保证运算的合理性

Norm文档

KLDivLoss

该损失函数是计算KL散度(即相对熵)，它可以用于衡量两个分布的差异

KL散度基本定义

当p和q分布越接近，则趋近于1，经过log运算后，loss值为0

当分布差异比较大，则损失值就比较高

Pytorch中计算公式中还不太一样

Pytorch的KLDivLoss公式

下面我们看看Pytorch对应的源码

KLDivLoss源码

首先可以观察到，除了常规的input，target，reduction，还有一个额外的参数 log_target ，用于表示target是否已经经过log运算。根 据这个参数，KLDivLoss进而分成两个函数 _kl_div_log_target 和 _kl_div_non_log_target 实现。

_kl_div_log_target 的实现比较简单，就是按照公式进行计算

而 _kl_div_non_log_target 有些许不同，因为target的数值范围不确定， 当为负数的时候，log运算时不合法的 。因此Pytorch初始化了一个全0数组，然后在最后的loss计算中， 在target小于0的地方填0，避免nan数值出现

下面是对应的numpy实现代码

def np_kldivloss(input, target, log_target, reduction="mean"):    if log_target:        output = np.exp(target)*(target - input)    else:        output_pos = target*(np.log(target) - input)        zeros = np.zeros_like(input)        output = np.where(target>0, output_pos, zeros)    if reduction == "mean":        return np.mean(output)    elif reduction == "sum":        return np.sum(output)    else:        return output

BCEWithLogitsLoss

熟悉二分类交叉熵损失函数BCELoss的应该知道，该函数输入的是个分类概率，范围在0~1之间，最后计算交叉熵。我们先看下该损失函数的参数

BCEWithLogitsLoss参数

• weight 表示最后loss缩放权重
• mean sum none
• pos_weight 表示针对正样本的权重，即positive weight

下面是其计算公式 其中表示sigmoid运算

BCEWithLogitsLoss

BCEWithLogitsLoss 相当于 sigmoid + BCELoss，但实际上 Pytorch为了更好的数值稳定性，并不是这么做的，下面我们看看对应的源代码

Pytorch的BCEWithLogitsLoss源码

这段源代码其实看的不太直观，我们可以看下numpy对应的代码

def np_bce_with_logits_loss(np_input, np_target, np_weight, np_pos_weight, reduction="mean"):    max_val = np.maximum(-np_input, 0)    if np_pos_weight.any():        log_weight = ((np_pos_weight - 1) * np_target) + 1        loss = (1 - np_target) * np_input        loss_1 = np.log(np.exp(-max_val) + np.exp(-np_input - max_val)) + max_val        loss += log_weight * loss_1    else:        loss = (1 - np_target) * np_input        loss += max_val        loss += np.log(np.exp(-max_val) + np.exp(-np_input - max_val))    output = loss * np_weight    if reduction == "mean":        return np.mean(output)    elif reduction == "sum":        return np.sum(output)    else:        return output

因为涉及到了sigmoid运算，所以有以下公式

计算中，如果x过大或过小，会 导致指数运算出现上溢或下溢 ，因此我们可以 用 log-sum-exp 的技巧来 避免数值溢出 ，具体可以看下面公式推导( 特此感谢德澎！ )

公式推导

总结

看源代码没有想象中那么难，只要破除迷信，敢于尝试，你也能揭开源码的神秘面纱~

相关链接

1. triplet-loss(https://omoindrot.github.io/triplet-loss)
2. FaceNet(https://arxiv.org/pdf/1503.03832.pdf)
3. TripletMarginLoss(http://www.bmva.org/bmvc/2016/papers/paper119/paper119.pdf)
4. RankingLoss(https://gombru.github.io/2019/04/03/ranking_loss/)