正负样本不平衡处理方法总结

Posted 2021-01-03 demian

转自：watersink

1， Bootstrapping，hard negative mining
最原始的一种方法，主要使用在传统的机器学习方法中。
比如，训练cascade类型分类模型的时候，可以将每一级分类错误的样本继续添加进下一层进行训练。

比如，SVM分类中去掉那些离分界线较远的样本，只保留离分界线较近的样本。

 

2， heuristic sampling

标准的faster-RCNN中，假设正样本IOU(0.7~1.0)。负样本IOU(0.1~0.3)，hard 负样本IOU(0.0~0.1)。比如实际的RPN网络中，实际最后的anchor经过NMS处理后的负样本是很多的，假如有100000个。而实际训练的正负样本比例为1:3，负样本大概只需要2000-3000个。这时就只选择那些hard负样本，这样实际训练出来的效果最好。

 

3， online hard example mining(OHEM)

出自，Training Region-based Object Detectors with Online Hard Example Mining这篇文章，

在faster RCNN这样的框架下，在原始的网络基础上，新接入了一个绿色的Read-only Layer，该网络对所有的ROI进行前向传播，并计算最后的loss,然后红色的网络对其中loss较大的ROI进行前向和后向传播，可以说是一种动态的选择性的传播梯度。优势也就显而易见，比原始的faster RCNN可以节省很大的运算量，训练速度回提升，最终模型准确性也提升。
其中，一个trick就是，在绿色的网络进行前向传播完，其中出来的好多ROI会存在一些Loss较高，但是这些ROI有很大的IOU的情况，这样就会使得梯度重复计算和传播，因此，这里，作者加入了NMS进行IOU的过滤。

4，Focal Loss
出自Focal Loss for Dense Object Detection这篇文章，
文章重点就是提出了focal loss这个cross entropy (CE) loss的改进版，实现了对于正负样本不平衡的调整。具体思路就是其公式，

从这个公式就可以分析出，
假设r=2，pt分数为0.9，那么这个easy example的loss将会被缩小0.01a倍
假设r=2，pt分数为0.968，那么这个easy example的loss将会被缩小0.001a倍
假设r=2，pt分数为0.1，那么这个hard example的loss将会被缩小0.81a倍
同样所有样本的loss都会缩小，但是hard example要不easy example缩小的小，从而取得好的训练效果。

 

从上图也可以反映出，r>0的曲线的loss要比r=0的曲线的更低，loss更小。

当然文章还提出了一个RetinaNet

RetinaNet以Resnet为基础结构，通过Feature Pyramid Network (FPN)产生多尺度的输出特征图，然后分别级联一个分类和回归的子网络。这点和faster RCNN有点区别，在faster中是只使用一个网络进行分类和回归操作，RetinaNet将2个任务分离后，也许会在精度上有一定提高吧，也更容易训练。
这里一个trick是RetinaNet的初始化，
(1)除了分类子网络的最后一层，其余层w全部初始化为u=0, σ = 0:01的高斯分布,b初始化为0。
(2)最后一个分类的卷积层，b初始化为- log((1 - π)/π)，文中使用π = 0.01，这样初始化使得每个anchor被标记为前景的概率为0.01，
这里b的这个公式是怎么得出的呢？
最终的分类得分是一个逻辑回归，公式为,

 

这里的z=wx+b，由于w初始化为u=0, σ = 0:01的高斯分布，所以，z=b,最终的概率设为π，从而得出公式，

 

从而解出，b=- log((1 -π)/π)

这个初始化对于focal loss的训练很重要。

 

5，class balanced cross-entropy

出自Holistically-nested edge detection这篇文章， 主要用于FCN,U-net等分割，边缘检测的网络，用于对像素级别的2分类样本不平衡进行优化。

 

sigmoid_cross_entropy公式:

-y_hat* log(sigmoid(y)) - (1 - y_hat) * log(1 - sigmoid(y))

class_balanced_sigmoid_cross_entropy公式:

-β*y_hat* log(sigmoid(y)) -(1-β) * (1 - y_hat) * log(1 - sigmoid(y))

思想就是引入新的权值β，实现正负样本loss的平衡，从而实现对不同正负样本的平衡。

 

References：

https://github.com/abhi2610/ohem