FocalLoss原理通俗解释及其二分类和多分类场景下的原理与实现

1. FocalLoss的应用场景

学一个东西，首先要知道这个东西是干嘛用的。

FocalLoss主要有两个作用，这也决定了它的应用场景：

1. FocalLoss可以调节正负样本的loss权重。这意味着，当正负样本数量及其不平衡时，可以考虑使用FocalLoss。
2. FocalLoss可以调节难易样本的loss权重。这意味着，当训练样本的难易程度不平衡时，可以考虑使用FocalLoss。

这也是“Focal Loss”的名字的含义，把目光聚焦(Focal)在那些“少的，难的”样本上。

虽然大部分博客讨论FocalLoss都是在目标检测场景下，但其实FocalLoss其他场景下都可以用。

举个NLP的应用场景：

1. 当我们在情感分类(好评/差评)时，若99%都是好评，只有1%是差评，就可以考虑使用FocalLoss通过loss来调节数据不平衡问题。
2. 情感分类问题有些样本很难，例如：“我家狗吃了你的菜连夜给我做了四菜一汤”。而有些样本很简单，例如“差评，太难吃了”。这种场景下，FocalLoss可以帮助调节难易样本的loss权重，从而更好的学习到难样本的特征。

2. 二分类场景下FocalLoss原理解释

本节会分别讨论FocalLoss是如何实现其两个功能的，然后再进行整合。

2.1 FocalLoss如何调节正负样本权重

二分类问题我们通常使用交叉熵计算Loss，损失函数如下：

$$\mathrm{CE}(p,y)=\{\begin{array}{ll}-\log (p)& \text{ if }y=1\\ -\log (1-p)& \text{ if }y=0\end{array}$$

其中CE是CrossEntropy的缩写，$p$ 是预测结果，例如0.8。$y$ 是标签值。

假设我们99%的样本都是负样本，那么最终计算出的loss负样本占比极大。要进行调节，很简单，只需要乘个权重就行了。比如：

$$\mathrm{CE}(p,y)=\{\begin{array}{ll}-\log (p)\ast 0.9& \text{ if }y=1\\ -\log (1-p)\ast 0.1& \text{ if }y=0\end{array}$$

我们让正样本和负样本的loss给个9:1的权重就行了。将其0.9写成变量 $\alpha$ 为：

$$\mathrm{CE}(p,y,\alpha )=\{\begin{array}{ll}-\log (p)\ast \alpha & \text{ if }y=1\\ -\log (1-p)\ast (1-\alpha )& \text{ if }y=0\end{array}$$

其中，$\alpha \in (0,1)$ 为超参数。这就是FocalLoss调节正负样本权重的方式，简单吧。

2.2 FocalLoss如何调节难易样本权重

当我们在训练二分类问题时，经过sigmoid后最终的输出是0到1的概率，表示为正样本的概率是多少。

那假设标签为1的样本：

• 若预测为为0.95，意味该样本是一个比较简单的样本。
• 若预测值为0.65，意味着该样本稍微有点难
• 若预测值为0.28，意味着该样本非常难。

负样本同理。即 预测值距离真值越远，则样本越难。

难样本想要多学习，那就给它的loss分个较大的权重，简单样本易学习，那就给个较小的权重。那我们可以直接用它的难易程度给它分权重嘛，例如：

假设标签为1的样本：

• 若预测为为0.95，意味该样本是一个比较简单的样本。权重为 (1-0.95) = 0.05
• 若预测值为0.65，意味着该样本稍微有点难。权重为 (1-0.65) = 0.35
• 若预测值为0.28，意味着该样本非常难。权重为 (1-0.28) = 0.72

按照这个思路，我们就可以得到如下损失函数：

$$\mathrm{CE}(p,y)=\{\begin{array}{ll}-\log (p)\ast (1-p)& \text{ if }y=1\\ -\log (1-p)\ast p& \text{ if }y=0\end{array}$$

这样你可能还不过瘾，你想让简单样本权重更低，难样本权重更高，那么也很简单，只需要加个平方就行了，这样小的会更小，大的会更大。这样我们会得到如下公式：

$$\mathrm{CE}(p,y)=\{\begin{array}{ll}-\log (p)\ast (1-p{)}^2& \text{ if }y=1\\ -\log (1-p)\ast p^2& \text{ if }y=0\end{array}$$

但你可能会觉得平方太小或太大，那么我们把平方写成超参数 $\gamma$，此时公式就变成了如下：

$$\mathrm{CE}(p,y)=\{\begin{array}{ll}-\log (p)\ast (1-p{)}^{\gamma }& \text{ if }y=1\\ -\log (1-p)\ast p^{\gamma }& \text{ if }y=0\end{array}$$

这样我们就完成了难易样本权重的调节。最后再总结一下参数 $\gamma$：

• 当 $\gamma =0$ 时，损失函数退化成了原始的CrossEntropy。
• $\gamma$ 越大，对权重的调节就越狠，反之则越轻。越狠的意思是：容易样本的权重会越低，难样本的权重会越高。
• $\gamma$ 通常取 $2$

2.3 整合上述过程，完成FocalLoss

整合过程很简单，把 $\alpha$ 和 $\gamma$ 一块放到公式里就行了，FocalLoss公式如下：

$$\mathrm{FL}(p,y,\alpha ,\gamma )=\{\begin{array}{ll}-\log (p)\ast \alpha \ast (1-p{)}^{\gamma }& \text{ if }y=1\\ -\log (1-p)\ast (1-\alpha )\ast p^{\gamma }& \text{ if }y=0\end{array}$$

这样写稍显难看，所以我们定义两个新的变量 ${\alpha }_t$ 和 $p_t$， 其中：

$${\alpha }_t=\{\begin{array}{ll}\alpha & \text{ if }y=1\\ 1-\alpha & \text{ if }y=0\end{array},p_t=\{\begin{array}{ll}p& \text{ if }y=1\\ 1-p& \text{ if }y=0\end{array}$$

那么FocalLoss就可以写成如下的最终公式：

$$\mathrm{FL}(p_t)=-{\alpha }_t(1-p_t{)}^{\gamma }\log (p_t)$$

这就是FocalLoss的公式。

2.4 Pytorch 实现FocalLoss

import torch
from torch import nn


class BinaryFocalLoss(nn.Module):
    """
    参考 https://github.com/lonePatient/TorchBlocks
    """

    def __init__(self, gamma=2.0, alpha=0.25, epsilon=1.e-9):
        super(BinaryFocalLoss, self).__init__()
        self.gamma = gamma
        self.alpha = alpha
        self.epsilon = epsilon

    def forward(self, input, target):
        """
        Args:
            input: model's output, shape of [batch_size, num_cls]
            target: ground truth labels, shape of [batch_size]
        Returns:
            shape of [batch_size]
        """
        multi_hot_key = target
        logits = input
        # 如果模型没有做sigmoid的话，这里需要加上
        # logits = torch.sigmoid(logits)
        zero_hot_key = 1 - multi_hot_key
        loss = -self.alpha * multi_hot_key * torch.pow((1 - logits), self.gamma) * (logits + self.epsilon).log()
        loss += -(1 - self.alpha) * zero_hot_key * torch.pow(logits, self.gamma) * (1 - logits + self.epsilon).log()
        return loss.mean()


if __name__ == '__main__':
    m = nn.Sigmoid()
    loss = BinaryFocalLoss()
    input = torch.randn(3, requires_grad=True)
    target = torch.empty(3).random_(2)
    output = loss(m(input), target)
    print("loss:", output)
    output.backward()

3. 多分类场景下的FocalLoss

有了前面二分类的基础，多分类就影刃而解了。

3.1 FocalLoss调节多分类的类别权重

假设我们有个三分类的场景，y=(1, 2, 3)，他们的样本数量分别是100个，2000个和10000个。

那么此时我们的 ${\alpha }_t$ 就不能再是一个数了，而是要是一个list，例如：

$${\alpha }_t=\{\begin{array}{ll}0.7& \text{ if }y=1\\ 0.25& \text{ if }y=2\\ 0.05& \text{ if }y=3\end{array}$$

在多分类场景下，我们的 $\alpha$ 超参由一个数变成了一个数组，我们要为每一个类别指定权重。样本多的权重低一点，样本少的权重高一点。写成具体公式则为：

$${\alpha }_t=\{\begin{array}{ll}{\alpha }_1& \text{ if }y=1\\ {\alpha }_2& \text{ if }y=2\\ ...& \text{ if }y=...\\ {\alpha }_n& \text{ if }y=n\end{array}$$

其中 $n$ 表示有 $n$ 个类别。

在大部分博客甚至开源项目上，在多分类问题上 $\alpha$ 也还是一个数。但在多分类问题上，这样理论上没办法解决调整不平衡数据的问题，相当于所有的数据都乘以了一个小数，没效果。 上面的理解是我在向ChatGPT提问时它给出的答案，我觉得这个是比较合理的。

3.2 FocalLoss调节多分类难易样本权重

同样，假设我们有个三分类的场景，y=(1, 2, 3)，对于某个样本的预测结果如下：

$$p=[0.85,0.1,0.05{]}^T$$

• 若标签为1，那么构造难易程度的调制因子时只需要考虑 $0.85$ 即可，同时也说明这个样本是一个简单样本
• 若标签为2，同理，调制因子只需要考虑 $0.1$，同时说明这个样本很难。
• 若标签为3，同理。

为了达到上述目的，我们可以使用one-hot向量来把不关心的非标签值给抹去，即：

[ 1 0 0 ] × [ 0.85 0.1 0.05 ] = [ 0.85 0 0 ] \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix} 0.85 \\ 0.1 \\ 0.05 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0.85 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} ​100​ ​× ​0.850.10.05​ ​= ​0.8500​ ​

此时，我们把其与调制因子结合，为 $h\ast (1-p_t{)}^{\gamma }$，为：

[ 1 0 0 ] × ( 1 − [ 0.85 0.1 0.05 ] ) γ = [ 0.1 5 γ 0 0 ] \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \times(1- \begin{bmatrix} 0.85 \\ 0.1 \\ 0.05 \end{bmatrix})^\gamma = \begin{bmatrix} 0.15^\gamma \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} ​100​ ​×(1− ​0.850.10.05​ ​)γ= ​0.15γ00​ ​

这里，我们将 one-hot 向量用 $h$ 表示。这里的 $0.15^{\gamma }$ 就是我们要给该样本附加的权重。

3.3 整合上述过程，完成多分类的FocalLoss

综上所述，在多分类场景下，FocalLoss的公式变成了如下：

$$\mathrm{FL}(p_t)=\sum -{\alpha }_t\ast h\ast (1-p_t{)}^{\gamma }\log (p_t)$$

这里，${\alpha }_t$ 和 $p_t$ 的含义与二分类不同，${\alpha }_t$ 为一个列表，里面是每个类别的权重。而 $p_t$ 是输出的概率分布，$h$ 是当前样本的one-hot向量。

举个实际的例子来看一下该公式：

假设我们有个三分类的场景，y=(1, 2, 3)，其中${\alpha }_t=[0.7,0.25,0.05{]}^T$， $\gamma =2$。对于样本 $y=1$，输出的概率分布为 $p=[0.85,0.1,0.05{]}^t$，，则FocalLoss为：

F L l o s s = sum ( − [ 0.7 0.25 0.05 ] × [ 1 0 0 ] × ( 1 − [ 0.85 0.1 0.05 ] ) 2 × log ⁡ ( [ 0.85 0.1 0.05 ] ) ) = sum ( − [ 0.7 0.25 0.05 ] × [ 0.1 5 2 0 0 ] × log ⁡ ( [ 0.85 0.1 0.05 ] ) ) = sum ( [ 0.0026 0 0 ] ) = 0.0026 \begin{aligned} \mathrm{FL_{loss}} = & \text{sum} (-\begin{bmatrix} 0.7 \\ 0.25 \\ 0.05 \end{bmatrix}\times \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix}\times (1- \begin{bmatrix} 0.85 \\ 0.1 \\ 0.05 \end{bmatrix})^2 \times \log(\begin{bmatrix} 0.85 \\ 0.1 \\ 0.05 \end{bmatrix})) \\ \\ = & \text{sum} (-\begin{bmatrix} 0.7 \\ 0.25 \\ 0.05 \end{bmatrix}\times \begin{bmatrix} 0.15^2 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \times \log(\begin{bmatrix} 0.85 \\ 0.1 \\ 0.05 \end{bmatrix})) \\ \\ = & \text{sum}(\begin{bmatrix} 0.0026 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix}) \\ \\ =&0.0026 \end{aligned} FLloss​====​sum(− ​0.70.250.05​ ​× ​100​ ​×(1− ​0.850.10.05​ ​)2×log( ​0.850.10.05​ ​))sum(− ​0.70.250.05​ ​× ​0.15200​ ​×log( ​0.850.10.05​ ​))sum( ​0.002600​ ​)0.0026​

从上面例子可以看出，因为one-hot的存在，真正对loss起作用的其实只有样本所在的那一行。

因此，我们可以将FocalLoss公式改进为如下：

$$\mathrm{FL}=-{\alpha }_c(1-p_c{)}^{\gamma }\log (p_c)$$

其中$c$ 为当前样本的类别， ${\alpha }_c$ 表示类别c对应的权重，$p_c$ 表示输出概率分布对于类别 c 的概率值。

3.4 Pytorch 实现多分类FocalLoss

class FocalLoss(nn.Module):
    """
    参考 https://github.com/lonePatient/TorchBlocks
    """

    def __init__(self, gamma=2.0, alpha=1, epsilon=1.e-9, device=None):
        super(FocalLoss, self).__init__()
        self.gamma = gamma
        if isinstance(alpha, list):
            self.alpha = torch.Tensor(alpha, device=device)
        else:
            self.alpha = alpha
        self.epsilon = epsilon

    def forward(self, input, target):
        """
        Args:
            input: model's output, shape of [batch_size, num_cls]
            target: ground truth labels, shape of [batch_size]
        Returns:
            shape of [batch_size]
        """
        num_labels = input.size(-1)
        idx = target.view(-1, 1).long()
        one_hot_key = torch.zeros(idx.size(0), num_labels, dtype=torch.float32, device=idx.device)
        one_hot_key = one_hot_key.scatter_(1, idx, 1)
        logits = torch.softmax(input, dim=-1)
        loss = -self.alpha * one_hot_key * torch.pow((1 - logits), self.gamma) * (logits + self.epsilon).log()
        loss = loss.sum(1)
        return loss.mean()


if __name__ == '__main__':
    loss = FocalLoss(alpha=[0.1, 0.2, 0.3, 0.15, 0.25])
    input = torch.randn(3, 5, requires_grad=True)
    target = torch.empty(3, dtype=torch.long).random_(5)
    output = loss(input, target)
    print(output)
    output.backward()