在分类问题中CE loss 与BCE loss的应用

本文探讨了在视觉分类问题中,交叉熵(CE)和二元交叉熵(BCE)损失函数的区别和适用场景。CE通常用于多分类任务,而BCE适用于二分类或多标签分类。当类别间不互斥时,BCE结合sigmoid激活函数是合适的选择;若类别互斥,可以使用BCE处理多个二分类子问题或直接应用softmax和CE。对于多分类标签,one-hot编码通常用于多标签任务,而普通标签可能用于二分类或某些特定的多分类设置。损失函数的选择直接影响模型的训练效果和优化方向。

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在做视觉分类问题的过程中有个问题一直困扰着我:
1.CE和BCE 分别是针对何种分类任务?
2.在做具体的任务时如何区别的使用他们?
3.分类标签对于不同的多分类任务,是选择普通标签还是one-hot标签?这和loss选择有关么?

损失函数公式定义区别

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由于softmax输出的概率值和为1,网络的优化方向是提升对 y=1 的分类能力,自然其它类别的预测得分就会下降,因此不必担心假阳性的预测得不到改善。

类别间是否互斥问题

在分类问题中,如果遇到类别间不互斥的情况,只能采用“sigmoid+BCE”;

如果遇到类别间互斥的情况(只能有一类胜出),“sigmoid+BCE”化为多个二分类问题与“softmax+CE”直接进行分类都是有被用到的方法。

分类问题的loss使用

经过阅读文章发现,一般二分类多使用 BCE loss,无论是普通标签还是one-hot编码后的标签。

多分类问题又分为但标签多分类和多标签多分类,一般多标签多分类的标签是one-hot形式,使用CE loss。

### BCELoss 的适用性和替代方案 对于多分类问题BCELoss 并不是最理想的损失函数选择。通常情况下,BCELoss 更适用于二元分类任务,在这类任务中它通过 Sigmoid 函数将预测值映射到 (0, 1) 范围内并计算误差[^1]。 然而,在处理多分类问题时,更常用的是交叉熵损失(Cross Entropy Loss)。这是因为交叉熵能够更好地衡量真实标签分布预测概率分布之间的差异,并且配合 Softmax 层可以在多个类之间建立竞争机制,使得模型更加稳定收敛。 如果确实要在某些特殊场景下使用类似于 BCELoss 的方式解决多分类问题,则可以通过 One-vs-Rest 或者说是 OvR 方法实现。具体来说就是针对每一个类别训练一个独立的二分类器,最终根据各个分类器给出的概率决定样本属于哪个类别。不过这种方法效率较低而且容易引入冗余参数,因此不推荐作为首选策略。 #### 替代方案 为了有效应对多分类问题,建议采用如下几种方法之一: - **Softmax + CrossEntropy**: 将输出层激活函数设为 Softmax 后接 CrossEntropy 损失函数是最常见的做法; ```python import torch.nn as nn criterion = nn.CrossEntropyLoss() ``` - **Focal Loss**: 当数据集存在严重的类别不平衡现象时,可以考虑使用 Focal Loss 来增强少数类别的权重,从而改善整体性能; ```python class FocalLoss(nn.Module): def __init__(self, alpha=1, gamma=2, reduction='mean'): super(FocalLoss, self).__init__() self.alpha = alpha self.gamma = gamma self.reduction = reduction def forward(self, inputs, targets): ce_loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction=self.reduction)(inputs, targets) pt = torch.exp(-ce_loss) focal_loss = self.alpha * (1-pt)**self.gamma * ce_loss return focal_loss ```
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