Paper Reading - Loss系列 - 深度学习中各种常见Loss与组合综述[WIP]

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本文主要希望总结下目前学术与业界常用到的Loss函数以及其对应的优缺点

回归误差

两种loss不同位置的梯度情况

MAE mean average error（L1损失）主要用于机器学习，回归问题中。均方误差对于异常值相对不敏感，但是由于他的梯度是一直不变的，即使loss很小梯度都非常大

MSE mean square error（L2损失）主要用于机器学习，回归问题中。均方误差对于异常值特别敏感，因为影响是2次方

交叉熵 CE

BCE

因为需要保持输入输出都在0-1之间。BCE+sigmoid一般会同时出现。yi如果为0，那么就要求zi越接近为0才能保持loss更小。因为log(1-q(zi))总是小于0的

yi是GT值，zi是预测值

CE

ce主要用于多分类，其中yi是one hot编码。softmax主要作用就是将结果加和为1，且都是非负数，表示为该类的概率。一般来说为了解决正负样本不平衡的问题，通常也会在CE前添加权重

举个例子，加入target=[1,0]，pred1=[-2,1]，pred2=[-1,1]

y1 = exp(x1) = exp(-2) = 0.13

y2 = exp(x2) = exp(1) = 2.71

z1 = y1/(y1+y2) = 0.13/(0.13+2.71) = 0.045

z2 = y2/(y1+y2) = 4.48/(0.13+2.71) = 0.955

exp(-1)=0.36 -> 0.117 / 0.883

那么，可知pred2 loss更小

pred1=[-2,1]
# 如果是3张图片一起算，需要添加for循环单行计算
exp_res=np.exp(pred1)/np.sum(np.exp(pred1))   
loss=-np.sum(target*exp_res)

Focal Loss

子韵如初：Paper Reading - Loss系列 - Focal Loss for Dense Object Detection

Dice Loss

语义分割中一般用ce来做损失函数，但评价的时候都主要看IOU指标，因此为什么不直接拿类IOU的损失函数来进行优化呢？Dice loss出现

Jaccard 系数大家都不陌生，可用于衡量相似度，不过更关注共同具有的特征是否一致。而dice系数表示两个物体相交的面积占总面积的比值，也用于比较两个样本的相似度。相当于分子分母都加了一个xy交集

当然dice loss也是有缺点的

1. 梯度形式更优，当x和y的为负样本值都非常小时，由于梯度计算中都需要进行平方，计算得到的梯度值可能会非常大。通常情况下，导致训练很不稳定。因此建议可以配合类ce为主loss进行训练，也可以通过设置class_weight对于样本更少的类别赋予给高的weight
2. 类IoUloss中当前像素的loss不光和当前像素的预测值相关，和其他点的值也相关。可以理解为mask操作，固定大小的正样本的区域计算的loss是一样的，对网络起到的监督贡献也是一样的。训练更倾向于挖掘前景区域，所以当正样本为小目标时loss会产生严重的震荡。一旦有部分像素预测错误，那么就会导致loss值大幅度的变动。而对于ce loss，loss的值是总体求平均的，更多会依赖负样本的地方。

Lovasz-Softmax Loss

kaggle神奇，但是原理比较复杂，也基于IOU的loss