五分钟学会：焦点损失函数 FocalLoss 与 GHM

1 focal loss的概述

焦点损失函数 Focal Loss（2017年何凯明大佬的论文）被提出用于密集物体检测任务。

当然，在目标检测中，可能待检测物体有1000个类别，然而你想要识别出来的物体，只是其中的某一个类别，这样其实就是一个样本非常不均衡的一个分类问题。

而Focal Loss简单的说，就是解决样本数量极度不平衡的问题的。

说到样本不平衡的解决方案，想必大家是知道一个混淆矩阵的f1-score的，但是这个好像不能用在训练中当成损失。而Focal loss可以在训练中，让小数量的目标类别增加权重，让分类错误的样本增加权重。

先来看一下简单的二值交叉熵的损失：

• y’是模型给出的预测类别概率，y是真实样本。就是说，如果一个样本的真实类别是1，预测概率是0.9，那么

就是这个损失。

• 讲道理，一般我不喜欢用二值交叉熵做例子，用多分类交叉熵做例子会更舒服。

【然后看focal loss的改进】：

这个增加了一个

的权重值，怎么理解呢？就是如果给出的正确类别的概率越大，那么

就会越小，说明分类正确的样本的损失权重小，反之，分类错误的样本的损权重大。

【focal loss的进一步改进】：

这里增加了一个

，这个alpha在论文中给出的是0.25,这个就是单纯的降低正样本或者负样本的权重，来解决样本不均衡的问题。

两者结合起来，就是一个可以解决样本不平衡问题的损失focal loss。

【总结】：

解决了样本的不平衡问题；

解决了难易样本不平衡的问题。让样本更重视难样本，忽视易样本。

1. 总之，Focal loss会的关注顺序为：样本少的、难分类的；样本多的、难分类的；样本少的，易分类的；样本多的，易分类的。

2 GHM

• GHM是Gradient Harmonizing Mechanism。

这个GHM是为了解决Focal loss存在的一些问题。

【Focal Loss的弊端1】让模型过多的关注特别难分类的样本是会有问题的。样本中有一些异常点、离群点（outliers）。所以模型为了拟合这些非常难拟合的离群点，就会存在过拟合的风险。

2.1 GHM的办法

Focal Loss是从置信度p的角度入手衰减loss的。而GHM是一定范围内置信度p的样本数量来衰减loss的。

首先定义了一个变量g，叫做梯度模长（gradient norm）：

可以看出这个梯度模长，其实就是模型给出的置信度

与这个样本真实的标签之间的差值（距离）。g越小，说明预测越准，说明样本越容易分类。

下图中展示了g与样本数量的关系：

【从图中可以看到】

• 梯度模长接近于0的样本多，也就是易分类样本是非常多的
• 然后样本数量随着梯度模长的增加迅速减少
• 然后当梯度模长接近1的时候，样本的数量又开始增加。

GHM是这样想的，对于梯度模长小的易分类样本，我们忽视他们；但是focal loss过于关注难分类样本了。关键是难分类样本其实也有很多！,如果模型一直学习难分类样本，那么可能模型的精确度就会下降。所以GHM对于难分类样本也有一个衰减。

那么，GHM对易分类样本和难分类样本都衰减，那么真正被关注的样本，就是那些不难不易的样本。而抑制的程度，可以根据样本的数量来决定。

这里定义一个GD，梯度密度：

是计算在梯度g位置的梯度密度；

就是样本k的梯度

是否在

这个区间内。

就是

这个区间的长度，也就是

总之，

就是梯度模长在

内的样本总数除以

.

然后把每一个样本的交叉熵损失除以他们对应的梯度密度就行了。

表示第i个样本的交叉熵损失；

表示第i个样本的梯度密度；

2.2 论文中的GHM

论文中呢，是把梯度模长划分成了10个区域，因为置信度p是从0~1的，所以梯度密度的区域长度就是0.1，比如是0~0.1为一个区域。

下图是论文中给出的对比图：

【从图中可以得到】

• 绿色的表示交叉熵损失；
• 蓝色的是focal loss的损失，发现梯度模长小的损失衰减很有效；
• 红色是GHM的交叉熵损失，发现梯度模长在0附近和1附近存在明显的衰减。

当然可以想到的是，GHM看起来是需要整个样本的模型估计值，才能计算出梯度密度，才能进行更新。也就是说mini-batch看起来似乎不能用GHM。

在GHM原文中也提到了这个问题，如果光使用mini-batch的话，那么很可能出现不均衡的情况。

【我个人觉得的处理方法】

1. 可以使用上一个epoch的梯度密度，来作为这一个epoch来使用；
2. 或者一开始先使用mini-batch计算梯度密度，然后模型收敛速度下降之后，再使用第一种方式进行更新。