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提示:有关loss损失函数详细解读,并附源码!!!
最近我在构建蒸馏相关模型,我重温了一下交叉熵相关内容,也使用pytorch相关函数接口调用,我将对F.binary_cross_entropy()、nn.BCELoss()与nn.BCEWithLogitsLoss()函数做一个说明,同时也简单介绍相对熵的蒸馏F.kl_div()函数做一个介绍。
F.binary_cross_entropy(
input: Tensor, # 预测输入
target: Tensor, # 标签
weight: Optional[Tensor] = None, # 权重可选项
size_average: Optional[bool] = None, # 可选项,快被弃用了
reduce: Optional[bool] = None,
reduction: str = "mean", # 默认均值或求和等形式
) -> Tensor:
该函数实际是交叉熵运算方式,其中input、target与权重有相同维度(batch,),其中表示可以是任何维度。同时,input为模型预测其每个元素取值范围在[0,1]间。
假设输入input经过sigmoid或softmax等方式将其值转为[0,1]范围预测,target为one-hot标签(也可是教师的软标签形式),其应用代码如下:
import torch import torch.nn.functional as F def binary_cross_entropy(): input = torch.tensor([[0.5, 1.0, 0.8], [0.2, 0.4, 0.6]]) # s = nn.Sigmoid() # pred = s(input) target = torch.tensor([[0, 1.0, 0], [0, 0, 1.0]]) weight = torch.tensor([[0.1, 0.9, 0.1], [0.1, 0.1, 0.9]] ) output_weight = F.binary_cross_entropy(input, target,weight=weight) # input取值范围[0,1] output = F.binary_cross_entropy(input, target) # input取值范围[0,1] print('预测数据:',input) print('标签数据:',target) print('\nbinary_cross_entropy-有权重:{}\t无权重:{}\n'.format(output_weight, output))
结果如下:
预测数据: tensor([[0.5000, 1.0000, 0.8000],
[0.2000, 0.4000, 0.6000]])
标签数据: tensor([[0., 1., 0.],
[0., 0., 1.]])
binary_cross_entropy-有权重:0.12723307311534882 无权重:0.5912299752235413
torch.nn.BCELoss(weight=None, size_average=None, reduce=None, reduction='mean')
参数说明:
weight :用于样本加权的权重张量。如果给定,则必须是一维张量,大小等于输入张量的大小。默认值为 None。
reduction :指定如何计算损失值。可选值为 ‘none’、‘mean’ 或 ‘sum’。默认值为 ‘mean’。
此为类,是对F.binary_cross_entropy()函数的调用,也是交叉熵运算方式,其中input、target与权重有相同维度(batch,),其中表示可以是任何维度。同时,input为模型预测其每个元素取值范围在[0,1]间。
假设输入input经过sigmoid或softmax等方式将其值转为[0,1]范围预测,target为one-hot标签(也可是教师的软标签形式),其应用代码如下:
import torch
import torch.nn.functional as F
def bceloss():
s = nn.Sigmoid() # 输出是
pred = torch.tensor([[0.5, 1.0, 0.8], [0.2, 0.4, 0.6]])
# pred = s(pred) # 一般会经过sigmoid或softmax方式将其预测转为[0,1]范围的值
target = torch.tensor([[0, 1.0, 0], [0, 0, 1.0]])
# nn.BCELoss输入的pred与target的形状必须相同,实际是交叉熵计算,target没有限制
bce = nn.BCELoss(reduction='mean') # size_average参数将被遗弃,使用reduction决定后续操作,有mean sum
b = bce(pred, target) # pred元素取值范围是[0,1]之间,否则会报错
print('预测数据:',pred)
print('标签数据:',target)
print('\nbceloss:{}\n'.format(b))
结果如下:
预测数据: tensor([[0.5000, 1.0000, 0.8000],
[0.2000, 0.4000, 0.6000]])
标签数据: tensor([[0., 1., 0.],
[0., 0., 1.]])
bceloss:0.5912299752235413
可以看出该函数与上面无权重运行结果一致,实际是对上一个函数进行了类包装,其计算方式和上面函数完全一样。
torch.nn.BCEWithLogitsLoss(weight=None,
size_average=None,
reduce=None,
reduction='mean',
pos_weight=None)
参数说明:
weight:用于对每个样本的损失值进行加权。默认值为 None。
reduction:指定如何对每个 batch 的损失值进行降维。可选值为 ‘none’、‘mean’ 和 ‘sum’。默认值为 ‘mean’。
pos_weight:用于对正样本的损失值进行加权。可以用于处理样本不平衡的问题。例如,如果正样本比负样本少很多,可以设置 pos_weight 为一个较大的值,以提高正样本的权重。默认值为 None。
假设输入input经过sigmoid或softmax等方式将其值转为[0,1]范围预测,target为one-hot标签(也可是教师的软标签形式),其应用代码如下:
import torch import torch.nn.functional as F def bce_logit_loss(): s = nn.Sigmoid() # 输出是 pred = torch.tensor([[0.5, 1.0, 0.8], [0.2, 0.4, 0.6]]) target = torch.tensor([[0, 1.0, 0], [0, 0, 1.0]]) bce_logit = nn.BCEWithLogitsLoss(reduction='mean') b_logit = bce_logit(pred, target) # pred元素取值范围是[0,1]之间,否则会报错 pred = s(pred) # nn.BCELoss输入的pred与target的形状必须相同,实际是交叉熵计算,target没有限制 bce = nn.BCELoss(reduction='mean') # size_average参数将被遗弃,使用reduction决定后续操作,有mean sum b = bce(pred, target) # pred元素取值范围是[0,1]之间,否则会报错 print('预测数据:', pred) print('标签数据:', target) print('\nbceloss:{}\t bce_with_logit:{} \n'.format(b, b_logit))
结果如下:
预测数据: tensor([[0.6225, 0.7311, 0.6900],
[0.5498, 0.5987, 0.6457]])
标签数据: tensor([[0., 1., 0.],
[0., 0., 1.]])
bceloss:0.7678468823432922 bce_with_logit:0.7678468823432922
可以看出,nn.BCELoss只需多一个nn.Sigmoid()得到的结果和nn.BCEWithLogitsLoss是一致的,说明该类只是多了一个logit过程。
import torch
import torch.nn.functional as F
def bce_logit_loss():
pred = torch.tensor([[5, 1, 8.0], [2, 4, 6.0]])
target = torch.tensor([[0, 1.0, 0], [0, 0, 1.0]])
bce_logit = nn.BCEWithLogitsLoss(reduction='mean')
b_logit = bce_logit(pred, target) # pred元素取值范围是[0,1]之间,否则会报错
print('预测数据:', pred)
print('标签数据:', target)
print(' bce_with_logit:{} \n'.format( b_logit))
结果如下:
预测数据: tensor([[5., 1., 8.],
[2., 4., 6.]])
标签数据: tensor([[0., 1., 0.],
[0., 0., 1.]])
bce_with_logit:3.2446444034576416
可以看出nn.BCEWithLogitsLoss的输入是可以为实数,它先进行sigmoid处理,将其输入变为[0,1]范围,在进行交叉熵运算,然上面nn.BCELoss与F.binary_cross_entropy则不行。
该函数为蒸馏模型使用的函数,我直接给出示列,如下:
def kl_func():
logits = torch.tensor([[0.5, 1.0, 0.8], [0.2, 0.4, 0.6]])
probs = torch.nn.functional.softmax(logits, dim=1) # 预测学生模型
target_probs = torch.tensor([[0.3, 0.4, 0.3], [0.1, 0.5, 0.4]]) # 教师模型
loss = F.kl_div(torch.log(probs), target_probs, reduction='batchmean')
print('模型输出数据:', logits)
print('预测数据:',probs)
print('标签数据:',target_probs)
print('\nkl_loss:{}\n'.format(loss))
输出结果:
模型输出数据: tensor([[0.5000, 1.0000, 0.8000],
[0.2000, 0.4000, 0.6000]])
预测数据: tensor([[0.2501, 0.4123, 0.3376],
[0.2693, 0.3289, 0.4018]])
标签数据: tensor([[0.3000, 0.4000, 0.3000],
[0.1000, 0.5000, 0.4000]])
kl_loss:0.057796258479356766
参考文章:点击这里
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