Focal Loss --- 从直觉到实现

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转载自 | NewBeeNLP

做机器学习分类问题，难免遇到Biased-Data-Problem, 例如

• CV的目标检测问题: 绝大多数检测框里都是 backgroud
• NLP的异常文本检测: 绝大多数文本都是 normal

对此，以下套路可以缓解:

• 升/降采样, 或者调整样本权重
• 换个更鲁棒的loss函数 ，或者加正则
• 集成模型: Bagging, RandomForest ...
• 利于外部先验知识: 预训练+微调
• 多任务联合学习
• ...

今天要聊的就是一种针对该问题精心设计的loss函数——「Focal Loss」

现状

先来回顾一下常用的 BinaryCrossEntropyLoss 公式如下

不难看出，CE是个“笨学生”。

考前复习的时候，「他不会划重点，对所有知识点 “一视同仁”」。

如果教科书上有100道例题，包括: 90道加减乘除 + 10道 三角函数。CE同学就会吭哧吭哧的“平均用力”反复练习这100道例题，结果可想而知——他会精通那90道个位数加减乘除题目，然后其他题目基本靠蒙。那10道他不会的题，往往还是分值高的压轴题。

嗯，大概就是这么个症状。

解决办法

机智如你，想必已经有办法了 —— 「给他指个方向，别再“平均用力”就好了」

方法一、分科复习

每个【科目】的难度是不同的；你要花 30%的精力在四则运算，70%的精力在三角函数。--- 老师告诉CE同学 第一个技巧

对应到公式中，就是针对每个类别赋予不同的权重，即下述

这是个简单粗暴有效的办法。

方法二、刷题战术

每道【题目】的难度是不同的；你要根据以往刷类似题时候的正确率来合理分配精力。
--- 老师告诉CE同学 第二个技巧

观察CE中的  ，它反映了模型对这个样本的识别能力（即 “这个知识点掌握得有多好”）；显然，对于  越大的样本，我们越要打压它对loss的贡献。

FL是这么定义的：

这里有个超参数  ; 直观来看，  越大 打压越重。如下图所示:

• 横轴是  , 纵轴是
• 总体来说，所有曲线都是单调下降的，即 “掌握越好的知识点越省力”
• 当  时，FL退化成CE，即蓝色线条
• 当  很大时，线条逐步压低到绿色位置，即各样本对于总loss的贡献受到打压；中间靠右区段承压尤其明显

方法三、综合上述两者

代码

基于Keras实现

from keras import backend as K

def focal_loss(alpha=0.75, gamma=2.0):
    """ 参考 https://blog.csdn.net/u011583927/article/details/90716942 """
    def focal_loss_fixed(y_true, y_pred):
        # y_true 是个一阶向量, 下式按照加号分为左右两部分
        # 注意到 y_true的取值只能是 0或者1 (假设二分类问题)，可以视为“掩码”
        # 加号左边的 y_true*alpha 表示将 y_true中等于1的槽位置为标量 alpha
        # 加号右边的 (ones-y_true)*(1-alpha) 则是将等于0的槽位置为 1-alpha
        ones = K.ones_like(y_true)
        alpha_t = y_true*alpha + (ones-y_true)*(1-alpha)

        # 类似上面，y_true仍然视为 0/1 掩码
        # 第1部分 `y_true*y_pred` 表示 将 y_true中为1的槽位置为 y_pred对应槽位的值
        # 第2部分 `(ones-y_true)*(ones-y_pred)` 表示 将 y_true中为0的槽位置为 (1-y_pred)对应槽位的值
        # 第3部分 K.epsilon() 避免后面 log(0) 溢出
        p_t = y_true*y_pred + (ones-y_true)*(ones-y_pred) + K.epsilon()

        # 就是公式的字面意思
        focal_loss = -alpha_t * K.pow((ones-p_t),gamma) * K.log(p_t)
    return focal_loss_fixed

model = ...
model.compile(..., loss=focal_loss(gamma=3, alpha=0.5))

调参经验

•  反映了“方法一、分科复习”时，各科目的难度比率

• 二分类场景下，类似于正例的sample_weight概念，可以按照样本占比，适度加权
• e.g. 设有5条正例、95条负例，则建议
• 取  相当于关掉该功能

•  反映了 “方法二、刷题战术”时，对于难度的区分程度

• 取  相当于关掉该功能; 即不考虑难度区别，一视同仁
•  越大，则越重视难度，即专注于比较困难的样本。建议在  范围尝试

总结

• 机器学习分类问题中，各类别样本数差距悬殊是很常见的情况；这会干扰模型效果

• 通过将CrossEntropyLoss替换为综合版的FocalLoss，可以有效缓解上述问题

• 具体思路就是引入两个额外的变量来区分对待每个样本

•  根据类别加权
•  根据难度加权

• 代码实现很简单、调参也不复杂，详见上文

参考文献

• Focal Loss for Dense Object Detection
• Demystifying Focal Loss I: A More Focused Cross Entropy Loss
• Focal loss论文详解
• Focal loss 原理及keras实战

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