图像分割中的loss--处理数据极度不均衡的状况

Posted 2021-12-13 hotsnow

序言：

对于小目标图像分割任务，一副图画中往往只有一两个目标，这样会加大网络训练难度，一般有三种方法解决：

1、选择合适的loss，对网络进行合理优化，关注较小的目标。

2、改变网络结构，使用attention机制。

3、类属attention机制，即先检测目标区域，裁剪后再分割训练。

 

场景：

现在以U-net网络为基础，使用keras进行实现小目标的分割。

 

Loss函数：

1、Log loss

对于二分类任务，log loss如下：

其中，yi为输入实例xixi?的真实类别, pi为预测输入实例 xi属于类别 1 的概率。对所有样本的对数损失表示对每个样本的对数损失的平均值。

这个loss函数每一次梯度的回传对每一个类别具有相同的关注度，所以容易受到类别不平衡的影响。

这种情况参照airbus-ship-detection。这个任务是检测海面上的船只，整个图片中大海占幅较大，所以采用一些技巧：使用montage拼接图片，对只有大海的图片进行采样来减少图片大小。

 

2、WCE loss(weighted cross-entropy)

带权重的交叉熵

二分类WCE：

这个loss的缺点时需要人为的调整困难样本的权重，增加调整难度。

 

3、Focal loss

能否使网络主动学习困难样本呢？

focal loss的提出是在目标检测领域，为了解决正负样本比例严重失调的问题。

focal函数公式：

对比上面其实就是多了 (1-pi)^r 。

loss值随样本概率变大而变小。

 

基本思想是，对于类别极度不平衡的情况下，网络如果在log loss下会倾向只预测负样本，并且负样本的预测概率会非常高，回传的梯度也很大。

但是如果添加了上述项，则focal 函数会使预测概率大的样本的loss变小，而预测概率小的样本的loss变大，从而加强了对正样本的关注度。

from keras import backend as K
‘‘‘
Compatible with tensorflow backend
‘‘‘
def focal_loss(gamma=2., alpha=.25):
    def focal_loss_fixed(y_true, y_pred):
        pt_1 = tf.where(tf.equal(y_true, 1), y_pred, tf.ones_like(y_pred))
            pt_0 = tf.where(tf.equal(y_true, 0), y_pred, tf.zeros_like(y_pred))
            return -K.sum(alpha * K.pow(1. - pt_1, gamma) * K.log(pt_1))-K.sum((1-alpha) * K.pow( pt_0, gamma) * K.log(1. - pt_0))
return focal_loss_fixed

model_prn.compile(optimizer=optimizer, loss=[focal_loss(alpha=.25, gamma=2)])

使用U-net输入输出都是一张图，直接使用会导致loss值很大。而且调参alpha和gamma也麻烦。

 

4、Dice loss

直观理解为两个轮廓的相似程度。

或则表示为：

二分类的dice loss:

def dice_coef(y_true, y_pred, smooth=1): 
    intersection = K.sum(y_true * y_pred, axis=[1,2,3]) 
    union = K.sum(y_true, axis=[1,2,3]) + K.sum(y_pred, axis=[1,2,3]) 
    return K.mean( (2. * intersection + smooth) / (union + smooth), axis=0) 

def dice_coef_loss(y_true, y_pred): 
    1 - dice_coef(y_true, y_pred, smooth=1)

使用dice loss有时会不可信，原因是对于sofemax或log loss其梯度简言之是p-t ，t为目标值，p为预测值。而dice loss 为 2t²  /  (p+t)²

如果p，t过小会导致梯度变化剧烈，导致训练困难。