深度學習之PyTorch實戰（5）——對CrossEntropyLoss損失函數的理解與學習今日熱議

2023-04-09 14:34:15 博客園

評論

其實這個筆記起源于一個報錯，報錯內容也很簡單，希望傳入一個三維的tensor，但是得到了一個四維。

RuntimeError: only batches of spatial targets supported (3D tensors) but got targets of dimension: 4

查看代碼報錯點，是出現在pytorch計算交叉熵損失的代碼。其實在自己手寫寫語義分割的代碼之前，我一直以為自己是對交叉熵損失完全了解的。但是實際上還是有一些些認識不足，所以這里打算復習一下，將其重新梳理一下，才算是透徹的理解了，特地記錄下來。

1，交叉熵損失的定義理解

交叉熵是信息論中的一個概念，要想完全理解交叉熵的本質，需要從基礎的概念學習。

(資料圖)

1.1 信息量

信息量與事件發生的概率有關，某件事情越不可能發生，我們獲取的信息量就越大，越可能發生，我們獲取的信息量就越小。

假設X是一個離散型隨機變量，其取值集合為x，概率分布函數 p(x)=Pr(X=x)，則定義事件 X=x0的信息量為：

由于是概率，所以P(x0)的取值范圍是[0, 1]，繪圖如下：

從圖像可知，函數符合我們對信息量的直覺，概率越大，信息量越小。

1.2 熵

對于某個事件來說，有多種可能性，每一種可能性都有一個概率 p(Xi)，這樣就可能計算出某一種可能性的信息量。因為我們上面定義了信息量的定義，而熵就是表達所有信息量的期望，即：

而有一類比較特殊的分布問題，就是0-1分布，對于這類問題你，熵的計算方式可以簡化為圖下算式：

1.3 相對熵（KL散度）

如果我們對同一個隨機變量X有兩個單獨的概率分布 P(x) 和 Q(x)（在機器學習中，P往往是用來表示樣本的真實分布，而Q是表示模型預測的分布。），我們可以使用KL散度來衡量這兩個分布的差異。計算公式如下：

n 為事件的所有可能性，Dkl的值越小，表示P和Q的分布越接近。

1.4 交叉熵

對上式變形可以得到：

等式的前一部分是p的熵，后一部分是交叉熵：

在機器學習中，我們需要評估label和predict之間的差距，使用KL散度剛剛好。由于KL散度的前一部分 -H(y)不變，故在優化過程中，只需要關注交叉熵就可以了，所以一般在機器學習中直接用交叉熵做loss，評估模型。因為交叉熵刻畫的是兩個概率分布的距離，也就是說交叉熵值越?。ㄏ鄬氐闹翟叫。?，兩個概率分布越接近。

1.5 交叉熵在單標簽分類問題的使用

這里的單標簽分類，就是深度學習最基本的分類問題，每個圖像只有一個標簽，只能是label1或者label2。

上圖是一個樣本loss的計算方式，n代表n種label，yi表示真實結果， yihat表示預測概率。如果是一個batch，則需要除以m（m為當前batch的樣本數）。

1.6 交叉熵在多標簽分類問題的使用

這里的多標簽分類是指，每一張圖像樣本可以有多個類別，多分類標簽是n-hot，值得注意的是，這里的pred不再用softmax計算了，采用的是Sigmoid了。將每一個節點的輸出歸一化到0-1之間。所以pred的值的和也不再是1。比如我們的語義分割，每個像素的label都是獨立分布的，相互之間沒有任何影響，所以交叉熵在這里是單獨對每一個節點進行計算，每一個節點只有兩種可能性，所以是一個二項分布。（上面有簡化后交叉熵的公式）

每個樣本的loss即為 loss = loss1 + loss2 + ... lossn。

每一個batch的loss就是：

其中m為當前batch的樣本量，n為類別數。

2，Pytorch中CrossEntropy的形式

語義分割的本質是對像素的分類。因此語義分割也是使用這個損失函數。首先看代碼定義：

def cross_entropy(input, target, weight=None, size_average=None, ignore_index=-100,                  reduce=None, reduction="mean"):    # type: (Tensor, Tensor, Optional[Tensor], Optional[bool], int, Optional[bool], str) -> Tensor    if size_average is not None or reduce is not None:        reduction = _Reduction.legacy_get_string(size_average, reduce)    return nll_loss(log_softmax(input, 1), target, weight, None, ignore_index, None, reduction)

從上面代碼可知：input和target是Tensor格式，并且先計算log_softmax，再計算nll_loss。（實際上softmax計算+ log計算 + nll_loss 計算== 直接使用CrossEntropyLoss計算）

2.1 通過softmax+log+nll_loss 計算CrossEntropyLoss

我們直接在語義分割中應用：

下面softmax函數肯定輸出的是網絡的輸出預測圖像，假設維度為（1，2，2，2），從左到右dim依次為0，1，2，3，也就是說類別數所在的維度表示dim=1應在的維度上計算概率。所以dim=1

temp1 = F.softmax(pred_output,dim=1)print("temp1:",temp1)

log函數：就是對輸入矩陣的每個元素求對數，默認底數為e，也就是In函數

temp3 = torch.log(temp1)print("temp3:",temp3)

nll_loss函數：這個函數的目的是把標簽圖像的元素值，作為索引值，在上面選擇相應的值求平均。

target = target.long()loss1 = F.nll_loss(temp3,target)print("loss1: ", loss1)

2.2 直接使用交叉熵損失計算

直接使用交叉熵損失計算：

loss2 = nn.CrossEntropyLoss()result2 = loss2(pred_output, target)print("result2: ", result2)

對比結果可以發現通過對CrossEntropyLoss函數分解并分步計算的結果，與直接使用CrossEntropyLoss函數計算的結果一致。

2.3 pytorch 和 tensorflow在損失函數計算方面的差異

pytorch和tensorflow在損失函數計算方面有細微的差別的，為啥對比pytorch和tensorflow的差異，因為一個更符合人的想法，一個稍微有一些閹割的問題，導致我們按照常理寫代碼，會遇到問題。

tensorflow的模型訓練：

one-hot編碼：

通過這兩步驟，我們就可以計算標簽和模型產生的預測結果之間的損失了。而在pytorch中，我們不需要對標簽進行one-hot編碼，且需要將通道這一維度壓縮。即標簽中的值為對應的類別數。

具體在代碼中，如果是一個類別，就特別要注意（因為我就是沒注意，所以就有開頭的錯）：

masks_pred = model(images)if model.n_classes == 1:    loss = criterion(masks_pred.squeeze(1), true_masks.float())    loss += dice_loss(F.sigmoid(masks_pred.squeeze(1)), true_masks.float(), multiclass=False)else:    loss = criterion(masks_pred, true_masks)    loss += dice_loss(        F.softmax(masks_pred, dim=1).float(),        F.one_hot(true_masks, model.n_classes).permute(0, 3, 1, 2).float(),        multiclass=True    )

3，Pytorch中，nn與nn.functional的相同點和不同點3.1 相同點

首先兩者的功能相同，nn.xx與nn.functional.xx的實際功能是相同的，只是一個是包裝好的類，一個是可以直接調用的函數。

比如我們這里學習的Crossentropy函數：

在torch.nn中定義如下：

class CrossEntropyLoss(_WeightedLoss):    __constants__ = ["ignore_index", "reduction", "label_smoothing"]    ignore_index: int    label_smoothing: float    def __init__(self, weight: Optional[Tensor] = None, size_average=None, ignore_index: int = -100,                 reduce=None, reduction: str = "mean", label_smoothing: float = 0.0) -> None:        super(CrossEntropyLoss, self).__init__(weight, size_average, reduce, reduction)        self.ignore_index = ignore_index        self.label_smoothing = label_smoothing    def forward(self, input: Tensor, target: Tensor) -> Tensor:        return F.cross_entropy(input, target, weight=self.weight,                               ignore_index=self.ignore_index, reduction=self.reduction,                               label_smoothing=self.label_smoothing)

在torch.nn.functional中定義如下：

def cross_entropy(    input: Tensor,    target: Tensor,    weight: Optional[Tensor] = None,    size_average: Optional[bool] = None,    ignore_index: int = -100,    reduce: Optional[bool] = None,    reduction: str = "mean",    label_smoothing: float = 0.0,) -> Tensor:    if has_torch_function_variadic(input, target, weight):        return handle_torch_function(            cross_entropy,            (input, target, weight),            input,            target,            weight=weight,            size_average=size_average,            ignore_index=ignore_index,            reduce=reduce,            reduction=reduction,            label_smoothing=label_smoothing,        )    if size_average is not None or reduce is not None:        reduction = _Reduction.legacy_get_string(size_average, reduce)    return torch._C._nn.cross_entropy_loss(input, target, weight, _Reduction.get_enum(reduction), ignore_index, label_smoothing)

可以看到torch.nn下面的CrossEntropyLoss類在forward時調用了nn.functional下的cross_entropy函數，當然最終的計算是通過C++編寫的函數計算的。

3.2 不同點

不同點1：在使用nn.CrossEntropyLoss()之前，需要先實例化，再輸入參數，以函數調用的方式調用實例化的對象并傳入輸入數據：

import torch.nn as nnloss = torch.nn.CrossEntropyLoss()output = loss(x, y)

使用 F.cross_entropy()直接可以傳入參數和輸入數據，而且由于F.cross_entropy() 得到的是一個向量也就是對batch中每一個圖像都會得到對應的交叉熵，所以計算出之后，會使用一個mean()函數，計算其總的交叉熵，再對其進行優化。

import torch.nn.functional as Floss = F.cross_entropy(input, target).mean()

不同點2：而且 nn.xxx 繼承于nn.Module，能夠很好的與nn.Sequential結合使用，而nn.functional.xxx 無法與nn.Sequential結合使用。舉個例子：

layer = nn.Sequential(            nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, padding=1),            nn.BatchNorm2d(num_features=64),            nn.ReLU(),            nn.MaxPool2d(kernel_size=2),            nn.Dropout(0.2)  )

不同點3：nn.xxx 不需要自己定義和管理weight；而nn.functional.xxx需要自己定義weight，每次調用的時候都需要手動傳入weight，不利于代碼復用。其實如果我們只保留了nn.functional下的函數的話，在訓練或者使用時，我們就需要手動去維護weight, bias, stride 這些中間量的值；而如果只保留nn下的類的話，其實就犧牲了一部分靈活性，因為做一些簡單的計算都需要創建一個類，這也與PyTorch的風格不符。

比如使用nn.xxx定義一個網絡，如下：

import torchimport torch.nn as nnimport torch.nn.functional as Fclass Net(nn.Module):    def __init__(self):        super(Net, self).__init__()        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5)        self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2)        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)        self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)        self.fc2 = nn.Linear(120, 84)        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)    def forward(self, x):        x = self.pool(F.relu(self.conv1(x)))        x = self.pool(F.relu(self.conv2(x)))        x = x.view(-1, 16 * 5 * 5)        x = F.relu(self.fc1(x))        x = F.relu(self.fc2(x))        x = self.fc3(x)        return x

以一個最簡單的五層網絡為例。需要維持狀態的，主要是兩個卷積和三個線性變換，所以在構造Module是，定義了兩個Conv2d和三個nn.Linear對象，而在計算時，relu之類不需要保存狀態的可以直接使用。

參考地址（這個只是個人筆記，不做商業）：

https://blog.csdn.net/tsyccnh/article/details/79163834

https://www.zhihu.com/question/66782101

https://blog.csdn.net/weixin_39190382/article/details/114433884）

https://blog.csdn.net/Fcc_bd_stars/article/details/105158215

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