Loss function函數(shù)如何在Pytorch中使用

這篇文章給大家介紹Loss function函數(shù)如何在Pytorch中使用，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對(duì)大家能有所幫助。

1.損失函數(shù)

損失函數(shù)，又叫目標(biāo)函數(shù)，是編譯一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型必須的兩個(gè)要素之一。另一個(gè)必不可少的要素是優(yōu)化器。

損失函數(shù)是指用于計(jì)算標(biāo)簽值和預(yù)測(cè)值之間差異的函數(shù)，在機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程中，有多種損失函數(shù)可供選擇，典型的有距離向量，絕對(duì)值向量等。

損失Loss必須是標(biāo)量，因?yàn)橄蛄繜o(wú)法比較大小（向量本身需要通過(guò)范數(shù)等標(biāo)量來(lái)比較）。

損失函數(shù)一般分為4種，平方損失函數(shù)，對(duì)數(shù)損失函數(shù)，HingeLoss 0-1 損失函數(shù)，絕對(duì)值損失函數(shù)。

我們先定義兩個(gè)二維數(shù)組，然后用不同的損失函數(shù)計(jì)算其損失值。

import torch
from torch.autograd import Variable
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
sample = Variable(torch.ones(2,2))
a=torch.Tensor(2,2)
a[0,0]=0
a[0,1]=1
a[1,0]=2
a[1,1]=3
target = Variable (a)

sample 的值為：[[1,1],[1,1]]。

target 的值為：[[0,1],[2,3]]。

1　nn.L1Loss

L1Loss 計(jì)算方法很簡(jiǎn)單，取預(yù)測(cè)值和真實(shí)值的絕對(duì)誤差的平均數(shù)即可。

criterion = nn.L1Loss()
loss = criterion(sample, target)
print(loss)

最后結(jié)果是：1。

它的計(jì)算邏輯是這樣的：

先計(jì)算絕對(duì)差總和：|0-1|+|1-1|+|2-1|+|3-1|=4；

然后再平均：4/4=1。

2　nn.SmoothL1Loss

SmoothL1Loss 也叫作 Huber Loss，誤差在 (-1,1) 上是平方損失，其他情況是 L1 損失。

criterion = nn.SmoothL1Loss()
loss = criterion(sample, target)
print(loss)

最后結(jié)果是：0.625。

3　nn.MSELoss

平方損失函數(shù)。其計(jì)算公式是預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間的平方和的平均數(shù)。

criterion = nn.MSELoss()
loss = criterion(sample, target)
print(loss)

最后結(jié)果是：1.5。

4　nn.CrossEntropyLoss

交叉熵?fù)p失函數(shù)

花了點(diǎn)時(shí)間才能看懂它。

首先，先看幾個(gè)例子，

需要注意的是，target輸入必須是 tensor long 類(lèi)型（int64位）

import torch 
# cross entropy loss
pred = np.array([[0.8, 2.0, 1.2]])
CELoss = torch.nn.CrossEntropyLoss()
for k in range(3):  
  target = np.array([k])
  loss2 = CELoss(torch.from_numpy(pred), torch.from_numpy(target).long())
  print(loss2)

Output：

tensor(1.7599, dtype=torch.float64)
tensor(0.5599, dtype=torch.float64)
tensor(1.3599, dtype=torch.float64)

如果，改成pred = np.array([[0.8, 2.0, 2.0]])，輸出，

tensor(2.0334, dtype=torch.float64)
tensor(0.8334, dtype=torch.float64)
tensor(0.8334, dtype=torch.float64)

后面兩個(gè)輸出一樣。

先看它的公式，就明白怎么回事了：

（這個(gè)應(yīng)該是有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)交叉熵組成了，后面一個(gè)算是預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的交叉熵？反正，數(shù)值會(huì)變大了）

使用 numpy來(lái)實(shí)現(xiàn)是這樣的：

pred = np.array([[0.8, 2.0, 2.0]])
nClass = pred.shape[1]
target = np.array([0])

def labelEncoder(y):
  tmp = np.zeros(shape = (y.shape[0], nClass))
  for i in range(y.shape[0]):
    tmp[i][y[i]] = 1
  return tmp
def crossEntropy(pred, target):
  target = labelEncoder(target)
  pred = softmax(pred)
  H = -np.sum(target*np.log(pred))
  return H
H = crossEntropy(pred, target)

輸出：

 2.0334282107562287

對(duì)上了！

再回頭看看，公式

這里，就是class 就是索引，（調(diào)用 nn.CrossEntropyLoss需要注意），這里把Softmax求p 和 ylog(p)寫(xiě)在一起，一開(kāi)始還沒(méi)反應(yīng)過(guò)來(lái)。

5.nn.BCELoss

二分類(lèi)交叉熵的含義其實(shí)在交叉熵上面提過(guò)，就是把{y, 1-y}當(dāng)做兩項(xiàng)分布，計(jì)算出來(lái)的loss就比交叉熵大（也就是包含的信息更多了，因?yàn)榘苏?lèi)和負(fù)類(lèi)的loss了）。

最后結(jié)果是：-13.8155。

6　nn.NLLLoss

負(fù)對(duì)數(shù)似然損失函數(shù)（Negative Log Likelihood）

在前面接上一個(gè) LogSoftMax 層就等價(jià)于交叉熵?fù)p失了。注意這里的 xlabel 和上個(gè)交叉熵?fù)p失里的不一樣，這里是經(jīng)過(guò) log 運(yùn)算后的數(shù)值。這個(gè)損失函數(shù)一般也是用在圖像識(shí)別模型上。

NLLLoss 的 輸入 是一個(gè)對(duì)數(shù)概率向量和一個(gè)目標(biāo)標(biāo)簽(不需要是one-hot編碼形式的). 它不會(huì)為我們計(jì)算對(duì)數(shù)概率. 適合網(wǎng)絡(luò)的最后一層是log_softmax. 損失函數(shù) nn.CrossEntropyLoss() 與 NLLLoss() 相同, 唯一的不同是它為我們?nèi)プ?softmax.

Nn.NLLLoss 和 nn.CrossEntropyLoss 的功能是非常相似的！通常都是用在多分類(lèi)模型中，實(shí)際應(yīng)用中我們一般用 NLLLoss 比較多。

7　nn.NLLLoss2d

和上面類(lèi)似，但是多了幾個(gè)維度，一般用在圖片上。

input, (N, C, H, W)

target, (N, H, W)

比如用全卷積網(wǎng)絡(luò)做分類(lèi)時(shí)，最后圖片的每個(gè)點(diǎn)都會(huì)預(yù)測(cè)一個(gè)類(lèi)別標(biāo)簽。

criterion = nn.NLLLoss2d()
loss = criterion(sample, target)
print(loss)

最后結(jié)果是：報(bào)錯(cuò)，看來(lái)不能直接這么用！

8 .BCEWithLogitsLoss 與 MultilabelSoftMarginLoss

BCEWithLogitsLoss :

這里，主要x,y的順序，x為predict的輸出（還沒(méi)有sigmoid）；y為真實(shí)標(biāo)簽，一般是[0,1],但是真實(shí)標(biāo)簽也可以是概率表示，如[0.1, 0.9].

可以看出，這里與 BCELoss相比，它幫你做sigmoid 操作，不需要你輸出時(shí)加激活函數(shù)。

MultiLabelSoftMarginLoss :

可以看出， 后者是前者權(quán)值為1時(shí)的特例。

import torch 
from torch.autograd import Variable
from torch import nn
x = Variable(torch.randn(10, 3))
y = Variable(torch.FloatTensor(10, 3).random_(2))

# double the loss for class 1
class_weight = torch.FloatTensor([1.0, 2.0, 1.0])
# double the loss for last sample
element_weight = torch.FloatTensor([1.0]*9 + [2.0]).view(-1, 1)
element_weight = element_weight.repeat(1, 3)

bce_criterion = nn.BCEWithLogitsLoss(weight=None, reduce=False)
multi_criterion = nn.MultiLabelSoftMarginLoss(weight=None, reduce=False)

bce_criterion_class = nn.BCEWithLogitsLoss(weight=class_weight, reduce=False)
multi_criterion_class = nn.MultiLabelSoftMarginLoss(weight=class_weight, 
                          reduce=False)

bce_criterion_element = nn.BCEWithLogitsLoss(weight=element_weight, reduce=False)
multi_criterion_element = nn.MultiLabelSoftMarginLoss(weight=element_weight, 
                           reduce=False)

bce_loss = bce_criterion(x, y)
multi_loss = multi_criterion(x, y)

bce_loss_class = bce_criterion_class(x, y)
multi_loss_class = multi_criterion_class(x, y)

print(bce_loss_class)
print(multi_loss_class)

print('bce_loss',bce_loss)
print('bce loss mean', torch.mean(bce_loss, dim = 1))
print('multi_loss', multi_loss)

9.比較BCEWithLogitsLoss和TensorFlow的 sigmoid_cross_entropy_with_logits；softmax_cross_entropy_with_logits

pytorch BCEwithLogitsLoss 參考前面8的介紹。

from torch import nn
from torch.autograd import Variable
bce_criterion = nn.BCEWithLogitsLoss(weight = None, reduce = False)
y = Variable(torch.tensor([[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1],[1,1,0],[0,1,0]],dtype=torch.float64))
logits = Variable(torch.tensor([[12,3,2],[3,10,1],[1,2,5],[4,6.5,1.2],[3,6,1]],dtype=torch.float64))
bce_criterion(logits, y)

result：

tensor([[6.1442e-06, 3.0486e+00, 2.1269e+00],
    [3.0486e+00, 4.5399e-05, 1.3133e+00],
    [1.3133e+00, 2.1269e+00, 6.7153e-03],
    [1.8150e-02, 1.5023e-03, 1.4633e+00],
    [3.0486e+00, 2.4757e-03, 1.3133e+00]], dtype=torch.float64)

如果使用 TensorFlow的sigmoid_cross_entropy_with_logits,

y = np.array([[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1],[1,1,0],[0,1,0]])
logits = np.array([[12,3,2],[3,10,1],[1,2,5],[4,6.5,1.2],[3,6,1]]).astype(np.float32)
       
sess =tf.Session()
y = np.array(y).astype(np.float32) # labels是float64的數(shù)據(jù)類(lèi)型
E2 = sess.run(tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(labels=y,logits=logits))
print(E2)

result

[[6.1441933e-06 3.0485873e+00 2.1269281e+00]
 [3.0485873e+00 4.5398901e-05 1.3132617e+00]
 [1.3132617e+00 2.1269281e+00 6.7153485e-03]
 [1.8149929e-02 1.5023102e-03 1.4632825e+00]
 [3.0485873e+00 2.4756852e-03 1.3132617e+00]]

從結(jié)果來(lái)看，兩個(gè)是等價(jià)的。

其實(shí)，兩個(gè)損失函數(shù)都是，先預(yù)測(cè)結(jié)果sigmoid，再求交叉熵。

Keras binary_crossentropy 也是調(diào)用 Tf sigmoid_cross_entropy_with_logits.
keras binary_crossentropy 源碼;

def loss_fn(y_true, y_pred, e=0.1):
  bce_loss = K.binary_crossentropy(y_true, y_pred)
  return K.mean(bce_loss, axis = -1)

y = K.variable([[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1],[1,1,0],[0,1,0]])
logits = K.variable([[12,3,2],[3,10,1],[1,2,5],[4,6.5,1.2],[3,6,1]])
res = loss_fn(logits, y)
print(K.get_value(res))

from keras.losses import binary_crossentropy
print(K.get_value(binary_crossentropy(logits, y)))

result:

[-31.59192  -26.336359  -5.1384177 -38.72286  -5.0798492]
[-31.59192  -26.336359  -5.1384177 -38.72286  -5.0798492]

同樣，如果是softmax_cross_entropy_with_logits的話，

y = np.array([[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1],[1,1,0],[0,1,0]])
logits = np.array([[12,3,2],[3,10,1],[1,2,5],[4,6.5,1.2],[3,6,1]]).astype(np.float32)
       
sess =tf.Session()
y = np.array(y).astype(np.float32) # labels是float64的數(shù)據(jù)類(lèi)型
E2 = sess.run(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=y,
                                   logits=logits))
print(E2)

result：

[1.6878611e-04 1.0346780e-03 6.5883912e-02 2.6669841e+00 5.4985214e-02]

發(fā)現(xiàn)維度都已經(jīng)變了，這個(gè)是 N*1維了。

即使，把上面sigmoid_cross_entropy_with_logits的結(jié)果維度改變，也是 [1.725174 1.4539648 1.1489683 0.49431157 1.4547749 ]，兩者還是不一樣。

關(guān)于選用softmax_cross_entropy_with_logits還是sigmoid_cross_entropy_with_logits,使用softmax，精度會(huì)更好，數(shù)值穩(wěn)定性更好，同時(shí)，會(huì)依賴(lài)超參數(shù)。

2 其他不常用loss

關(guān)于Loss function函數(shù)如何在Pytorch中使用就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識(shí)。如果覺(jué)得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。