【目标检测】Focal Loss

Focal Loss用来解决正负样本不平衡问题,并提升训练过程对困难样本的关注。

在一阶段目标检测算法中,以YOLO v3为例,计算置信度损失(图中第3、4项)时有目标的点少,无目标的点多,两者可能相差百倍千倍甚至更多,这就导致无目标的置信度损失会以压倒性的数量优势在数值上淹没有目标的置信度损失。

首先,我们回顾一下第三、四项里 \\cdot 所对应的BCELoss,其公式如下:

其中, p ∈ 0 , 1 p\in0,1 p∈0,1是经sigmoid输出的预测概率, y ∈ { 0 , 1 } y\in\{0,1\} y∈{0,1}是真实标签。简单起见,我们使用 p t p_t pt简化上述损失, p t p_t pt公式如下:

于是,我们得到

在此基础上,Focal Loss引入 α t \alpha_t αt来加权BCELoss以解决正负样本不平衡的问题,公式如下:

其中, α t \alpha_t αt定义如下:

其中, α ∈ 0 , 1 \alpha\in0,1 α∈0,1是自行设定的权重参数。直观来说,当正样本较少时,我们可以设定一个较大的 α \alpha α,例如 0.9 0.9 0.9,这样正样本的损失相比负样本的损失就会更大从而解决正负样本失衡的问题。

⚠️ 事实上,Focal Loss原文中的最佳 α \alpha α是 0.25 0.25 0.25,这说明原文并不是用它来处理正负样本失衡的,更像是一个超参数。

进一步地,Focal Loss还能使得模型在训练过程中更加关注困难样本 。对于正样本来说,我们希望预测概率 p → 1 p\rightarrow 1 p→1,那么 p p p越小说明该样本预测起来就越困难,反之就越简单。对于负样本, p p p越小说明该样本预测起来就越简单,反之就越困难。直观上,我们只需努力矫正困难样本,毕竟简单样本已经预测的不错了,于是Focal Loss引入 ( 1 − p t ) γ (1-p_t)^{\gamma} (1−pt)γ来加权BCELoss以实习对困难样本的关注,公式如下:

其中, γ ≥ 0 \gamma\geq0 γ≥0,从下表可以看出, ( 1 − p t ) γ (1-p_t)^{\gamma} (1−pt)γ使简单样本的损失大大降低,从而使困难样本与简单样本的损失比增大,以使训练过程更加关注困难样本。

y y y γ \gamma γ p p p p t p_t pt C E ( p , y ) CE(p,y) CE(p,y) ( 1 − p t ) γ (1-p_t)^{\gamma} (1−pt)γ F L ( p t ) FL(p_t) FL(pt)
1 2 0.9 0.9 0.11 0.01 0.0011
1 2 0.1 0.1 2.30 0.81 1.863
0 2 0.2 0.8 0.22 0.04 0.0088
0 2 0.8 0.2 1.61 0.64 1.0304

综合 α t \alpha_t αt和 ( 1 − p t ) γ (1-p_t)^{\gamma} (1−pt)γ即为完整的Focal Loss,公式如下:

写成 p p p和 α \alpha α的形式就是:
F L ( p ) = { − α ( 1 − p ) γ log ⁡ ( p ) , i f y = 1 − ( 1 − α ) p γ log ⁡ ( 1 − p ) , o t h e r w i s e FL(p)=\begin{cases}-\alpha(1-p)^{\gamma}\log(p),&if~y=1\\-(1-\alpha)p^{\gamma}\log(1-p), &otherwise\end{cases} FL(p)={−α(1−p)γlog(p),−(1−α)pγlog(1−p),if y=1otherwise

致谢:

本博客仅做记录使用,无任何商业用途,参考内容如下:
3.1 YOLO系列理论合集(YOLOv1~v3)

相关推荐
2601_954526756 小时前
2026 生成式搜索引擎底层技术演进与 GEO优化服务商推荐:大模型检索增强(RAG)管道与语义对齐工程实战
大数据·人工智能·搜索引擎
我有满天星辰7 小时前
Spring AI Prompt 实战:System Prompt、User Prompt 与 PromptTemplate
人工智能·spring·prompt
A15362557 小时前
WMS 仓储管理系统推荐:企业如何选适配的仓储管理系统
大数据·人工智能
学习中.........7 小时前
Transformer 训练资源估算:以 CS336 GPT-2 XL 配置为例
人工智能·python·算法·机器学习·自然语言处理
Setsuna_F_Seiei11 小时前
前端的 AI 学习之路 02 之 Provider 与 Structured Output - 规范化模型输入输出
人工智能·agent·ai编程
JavaPub-rodert12 小时前
王仕宇RAG 实战教程(二):从 0 搭建一个可运行的 RAG 知识库——Embedding、Qdrant 与问答实战
人工智能·embedding
Setsuna_F_Seiei12 小时前
前端的 AI 学习之路 01 之 Agent API 调用 - 和 Agent 的基础对话
前端·人工智能·ai编程
咔咔学姐kk12 小时前
小白程序员必收藏:轻松入门AI Agent开发,大厂校招新风口!
人工智能·深度学习·ai·程序员·大模型·就业·大模型学习
2601_9670972213 小时前
园区巡检机器人推荐:4项评估维度与主流产品横评
大数据·人工智能·信息可视化
stuartevil13 小时前
零基础怎么用AI文生漫剧做出一条完整视频
人工智能·音视频