Focal loss

一、解决了什么问题?

  • 不同类别不均衡
  • 难易样本不均衡
  • 减少易分类样本的权重,增加难分类样本的损失贡献值

二、基本概念

  1. 采用soft - gamma: 在训练的过程中阶段性的增大gamma 可能会有更好的性能提升。
  2. alpha 与每个类别在训练数据中的频率有关。
  3. F.nll_loss(torch.log(F.softmax(inputs, dim=1),target)的函数功能与 F.cross_entropy相同
    F.nll_loss中实现了对于target的one-hot encoding,将其编码成与input shape相同的tensor,然后与前面那一项(即F.nll_loss输入的第一项)进行 element-wise production。
    基于alpha=1采用不同的gamma值进行实验的结果

三、公式

标准的Cross Entropy 为:
Loss(x, class) = -log(\frac{e^{x[class]}}{\sum_j e^{x[j]}})
Focal Loss 为:
\begin{align} Loss(x, class) &= -\alpha_{class}(1-\frac{e^{x[class]}}{\sum_j e^{x[j]}})^\gamma log(\frac{e^{x[class]}}{\sum_j e^{x[j]}}) \\ &= -\alpha_{class}(1-softmax(x)[class])^\gamma \cdot log(softmax(x)[class]) \end{align}
其中
softmax(x) = \frac{e^{x[class]}}{\sum_j e^{x[j]}}

四、代码实现

pytorch 来自Kaggle的实现(基于二分类交叉熵实现)

class FocalLoss(nn.Module):
    def __init__(self, alpha=1, gamma=2, logits=False, reduce=True):
        super(FocalLoss, self).__init__()
        self.alpha = alpha
        self.gamma = gamma
        self.logits = logits
        self.reduce = reduce

    def forward(self, inputs, targets):
        if self.logits:
            BCE_loss = F.binary_cross_entropy_with_logits(inputs, targets, reduce=False)
        else:
            BCE_loss = F.binary_cross_entropy(inputs, targets, reduce=False)
        pt = torch.exp(-BCE_loss)
        F_loss = self.alpha * (1-pt)**self.gamma * BCE_loss

        if self.reduce:
            return torch.mean(F_loss)
        else:
            return F_loss

Tensorflow 参考

huanghuidmml/cail2019_track2: 中国法研杯CAIL2019要素抽取任务第三名方案分享 (github.com)

def focal_loss(prediction_tensor, target_tensor, alpha=FLAGS.alpha, gamma=FLAGS.gamma):
    r"""Compute focal loss for predictions.
        Multi-labels Focal loss formula:
            FL = -alpha * (z-p)^gamma * log(p) -(1-alpha) * p^gamma * log(1-p)
                 ,which alpha = 0.25, gamma = 2, p = sigmoid(x), z = target_tensor.
    Args:
     prediction_tensor: A float tensor of shape [batch_size, num_anchors,
        num_classes] representing the predicted logits for each class
     target_tensor: A float tensor of shape [batch_size, num_anchors,
        num_classes] representing one-hot encoded classification targets
     weights: A float tensor of shape [batch_size, num_anchors]
     alpha: A scalar tensor for focal loss alpha hyper-parameter
     gamma: A scalar tensor for focal loss gamma hyper-parameter
    Returns:
        loss: A (scalar) tensor representing the value of the loss function
    """
    sigmoid_p = tf.nn.sigmoid(prediction_tensor)
    zeros = array_ops.zeros_like(sigmoid_p, dtype=sigmoid_p.dtype)

    # For poitive prediction, only need consider front part loss, back part is 0;
    # target_tensor > zeros <=> z=1, so poitive coefficient = z - p.
    pos_p_sub = array_ops.where(target_tensor > zeros, target_tensor - sigmoid_p, zeros)

    # For negative prediction, only need consider back part loss, front part is 0;
    # target_tensor > zeros <=> z=1, so negative coefficient = 0.
    neg_p_sub = array_ops.where(target_tensor > zeros, zeros, sigmoid_p)
    per_entry_cross_ent = - alpha * (pos_p_sub ** gamma) * tf.log(tf.clip_by_value(sigmoid_p, 1e-8, 1.0)) \
                          - (1 - alpha) * (neg_p_sub ** gamma) * tf.log(tf.clip_by_value(1.0 - sigmoid_p, 1e-8, 1.0))
    return tf.reduce_sum(per_entry_cross_ent), per_entry_cross_ent, sigmoid_p

参考tensorflow改写的pytorch版本

# 由于torch版本没有自带的clip_by_value函数
# 网上参考如下,focal_loss函数不变
def clip_by_tensor(t,t_min,t_max):
    """
    clip_by_tensor
    :param t: tensor
    :param t_min: min
    :param t_max: max
    :return: cliped tensor
    """
    # t=t.float()
    # t_min=t_min.float()
    # t_max=t_max.float()

    result = (t >= t_min).float() * t + (t < t_min).float() * t_min
    result = (result <= t_max).float() * result + (result > t_max).float() * t_max
    return result

参考

  1. 简书:Focal Loss理论及PyTorch实现
  2. 知乎:Focal Loss 的Pytorch 实现以及实验
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