pytorch中常用损失函数总结

---

前言

 本文主要介绍pytorch中常用的损失函数API的使用。

---

1. 分类损失

1.1. nn.BCELoss()

 nn.BCELoss()用于计算二分类问题，使用时采用默认初始化即可，即reduction='mean’是返回loss在所有样本上的均值。在forward方法中，所接受的 input和target必须一样的shape，且target是one-hot编码，而input需提前经过sigmoid处理。

from math import log
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

# 二元交叉熵损失函数，只能处理二分类问题
# 假设处理 二分类问题，且批次=2
input = torch.Tensor([[-1,1],[1,2]]) # input: [2,2]
input = input.sigmoid()                                
# 转成one-hot
target = torch.Tensor([0,1])         # shape:[2]
onehot_target = torch.eye(2)[target.long(), :]

Loss = nn.BCELoss()                  # 采用默认初始化
loss1 = Loss(input, onehot_target)
loss2 = F.binary_cross_entropy(input, onehot_target)  # 1.0167

1.2. nn.BCEWithLogitsLoss()

 该损失函数就是集成了sigmoid的处理，即此时input是直接网络输出即可，不必人为加sigmoid处理。

from math import log
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

# 二元交叉熵损失函数，只能处理二分类问题
# 假设处理 二分类问题，且批次=2
input = torch.Tensor([[-1,1],[1,2]]) # input: [2,2]
# 转成one-hot
target = torch.Tensor([0,1])         # shape:[2]
onehot_target = torch.eye(2)[target.long(), :]

Loss = nn.BCEWithLogitsLoss()                  # 采用默认初始化
loss1 = Loss(input, onehot_target)
loss2 = F.binary_cross_entropy_with_logits(input, onehot_target)

print(loss1, loss2)   # [1.0167]

1.3. 多分类交叉熵损失函数

 1)在解决多分类问题时，公式如下：

 其中N是总样本个数，K是类别，pic表示第i个样本所属第c个类别。这么说比较抽象，假设现在需要手动实现上述公式的代码： 假设有3个样本(N=3)，其中每个p假设经过softmax处理，概率和为1，并将label转成one-hot编码。

 首先不要考虑最外层的求和符号，先计算内层的求和计算：L1,L2,L3，在计算外层的求和符号即可。

from math import log
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

p = torch.Tensor([[0.2,0.3,0.5],[0.1,0.7,0.2],[0.4,0.5,0.1]])
label = torch.Tensor([0,1,2])
onehot = torch.eye(3)[label.long(), :]
# 分别计算每个样本的交叉熵
p = torch.log(p)            # 取对数
loss = torch.sum(onehot * p)# 对应元素相乘并求和

# 在计算外层求和符号
loss = -loss / p.shape[0]
print(loss)          # 1.4429

 2)为了简化上述流程（label需one-hot=），torch用==nn.NLLLoss（）==其进行了封装，将上述代码简化：

    from math import log
    import torch
    import torch.nn as nn
    import torch.nn.functional as F

    Loss = nn.NLLLoss()

    p = torch.Tensor([[0.2,0.3,0.5],[0.1,0.7,0.2],[0.4,0.5,0.1]])
    label = torch.Tensor([0,1,2]).long()
    #onehot = torch.eye(3)[label.long(), :]
    # 分别计算每个样本的交叉熵
    p = torch.log(p)            # 取对数
    loss = Loss(p, label)
    #loss = torch.sum(onehot * p)# 对应元素相乘并求和

    # 在计算外层求和符号
    #loss = -loss / p.shape[0]
    print(loss)          # 1.4429

 3)上述过程还是不够简化，因为p需要softmax+log操作，于是，torch进一步封装，就是：

 先不必管参数，直接使用：

from math import log
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

p = torch.randn(4,3)   # 网络直接输出，没有经过Softmax
label = torch.Tensor([0,1,2,0]).long()  #
# 首先拿普通方法计算下
log_p = F.log_softmax(p)
Loss = nn.NLLLoss()
loss1 = Loss(log_p, label)  
# 用CrossEP计算下
Loss = nn.CrossEntropyLoss()
loss2 = Loss(p, label)
print(loss1, loss2)    #二者结果一致

简单做下总结: 交叉熵损失函数：log + softmax + one-hot的集大成者，此时pred只需是[N,C]未经Softmax处理的，label只需是[N]里面元素是正常类别标签即可。然后传入API就能得出交叉熵损失。
4）当然，这里有个额外参数需注意下：ignore_index，作用是忽略某个类别的损失。比如设置为0，就是去掉0这部分的损失值，并在非0元素上做损失的平均。

    from math import log
    import torch
    import torch.nn as nn
    import torch.nn.functional as F

    p = torch.Tensor([[0.1, 0.2, 0.3],[0.4, 0.5, 0.6],[0.1,0.2,0.3]])   #[2,3]
    label = torch.Tensor([0, 1, 1]).long()                   # [2]

    # 现在假设去掉标签为0的损失
    Loss = nn.CrossEntropyLoss(ignore_index=0)
    loss3 = Loss(p, label)
    print(loss3)            # 1.1019
    print('验证ignore_index')
    p = F.softmax(p)        # 对p进行softmax
    onehot = torch.eye(3)[label.long(), :]
    # 分别计算每个样本的交叉熵
    p = torch.log(p)
    v = (onehot * p)
    loss = torch.sum(v[1:])  # 去掉标签为0的损失
    # 在计算外层求和符号
    loss = -loss / 2            # 2个非0，故/2
    print(loss)  #

1.4.Focal_loss

 介绍完交叉熵损失后，不得不介绍下常用的Focal loss。首先看下focal loss的公式：


 从公式上可以看出，实现focal loss首先实现CE(pt)，即二维交叉熵损失函数，可以直接采用自带sigmoid操作的nn.BCEWithLogitsLoss()，且target需要one-hot编码。
 在有了CE后，需要单独求下pt即可，注意此处需要人为加上sigmoid! 另外，论文中alpha_t的求解和pt一样：

这里贴下focal loss经典实现：

import torch
from torch import nn
import torch.nn.functional as F

class FocalLoss(nn.Module):
    def __init__(self,alpha=0.25,gamma=2.0,reduce='sum'):
        super(FocalLoss,self).__init__()
        self.alpha = alpha
        self.gamma = gamma
        self.reduce = reduce

    def forward(self,classifications,targets):  
    	# classifcation:[N,K]
    	# targets: [N,K]的one-hot编码
        alpha = self.alpha
        gamma = self.gamma
        classifications = classifications.view(-1)  # 不经过sigmoid的classification；
        targets = targets.view(-1)                  # 应该是 one-hot
        # ce_loss: 对应公式中 -log(pt),也就是普通的 交叉熵损失；--> 该函数接收未经sigmoid的函数；
        ce_loss = F.binary_cross_entropy_with_logits(classifications, targets.float(), reduction="none")
        #focal loss
        p = torch.sigmoid(classifications)                # 经过sigmoid
        p_t = p * targets + (1 - p) * (1 - targets)       #  计算pt
        loss = ce_loss * ((1 - p_t) ** gamma)             # -log(pt) * (1-pt) ** ganmma
        if alpha >= 0:
        	# 对应公式中alpha_t控制损失的权重
            alpha_t = alpha * targets + (1 - alpha) * (1 - targets) # 和pt求解过程一样
            loss = alpha_t * loss                         # 最终focal loss
        if self.reduce=='sum':
            loss = loss.sum()
        elif self.reduce=='mean':
            loss = loss.mean()
        else:
            raise ValueError('reduce type is wrong!')
        return loss

2. 回归损失