【Faster RCNN】损失函数理解

本文深入解析FasterRCNN中的损失函数,包括RPN的分类与回归损失,以及FastRCNN的分类与回归损失。重点介绍了平滑L1损失函数在边框回归中的应用,以及分类损失中的交叉熵函数。

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目录

1. 使用Smoooh L1 Loss的原因

2. Faster RCNN的损失函数

2.1 分类损失

2.2 回归损失

一些感悟


关于文章中具体一些代码及参数如何得来的请看博客:

tensorflow+faster rcnn代码解析(二):anchor_target_layer、proposal_target_layer、proposal_layer

最近又重新学习了一遍Faster RCNN有挺多收获的,在此重新记录一下。

1. 使用Smoooh L1 Loss的原因

对于边框的预测是一个回归问题。通常可以选择平方损失函数(L2损失)f(x)=x^2。但这个损失对于比较大的误差的惩罚很高。

我们可以采用稍微缓和一点绝对损失函数(L1损失)f(x)=|x|,它是随着误差线性增长,而不是平方增长。但这个函数在0点处导数不存在,因此可能会影响收敛。

一个通常的解决办法是,分段函数,在0点附近使用平方函数使得它更加平滑。它被称之为平滑L1损失函数。它通过一个参数σ 来控制平滑的区域。一般情况下σ = 1,在faster rcnn函数中σ = 3

2. Faster RCNN的损失函数

Faster RCNN的的损失主要分为RPN的损失和Fast RCNN的损失,计算公式如下,并且两部分损失都包括分类损失(cls loss)回归损失(bbox regression loss)。

下面分别讲一下RPN和fast RCNN部分的损失。

2.1 分类损失

公式:

(1)RPN分类损失

RPN网络的产生的anchor只分为前景和背景,前景的标签为1,背景的标签为0。在训练RPN的过程中,会选择256个anchor,256就是公式中的Ncls

可以看到这是一个这经典的二分类交叉熵损失,对于每一个anchor计算对数损失,然后求和除以总的anchor数量Ncls。这部分的代码tensorflow代码如下:

rpn_cls_score = tf.reshape(self._predictions['rpn_cls_score_reshape'], [-1, 2]) #rpn_cls_score = (17100,2)
rpn_label = tf.reshape(self._anchor_targets['rpn_labels'], [-1])  #rpn_label = (17100,)
rpn_select = tf.where(tf.not_equal(rpn_label, -1)) #将不等于-1的labels选出来(也就是正负样本选出来),返回序号
rpn_cls_score = tf.reshape(tf.gather(rpn_cls_score, rpn_select), [-1, 2]) #同时选出对应的分数
rpn_label = tf.reshape(tf.gather(rpn_label, rpn_select), [-1])
rpn_cross_entropy = tf.reduce_mean(
    tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(logits=rpn_cls_score, labels=rpn_label))

假设我们RPN网络的特征图大小为38×50,那么就会产生38×50×9=17100个anchor,然后在RPN的训练阶段会从17100个anchor中挑选Ncls个anchor用来训练RPN的参数,其中挑选为前景的标签为1,背景的标签为0。

  1. 代码第一行将其reshape变为(17100,2),行数表示anchor的数量,列数为前景和背景,表示属于前景和背景的分数。
  2. 代码第二行和第三行,将RPN的label也reshape成(17100,),即分别对应上anchor,然后从中选出不等于-1的,也就是选择出前景和背景,数量为Ncls,返回其index,为rpn_select。
  3. 代码第四行,根据index选择出对应的分数。
  4. 第五行,根据rpn_label和rpn_cls_score计算交叉熵损失。其中reduce_mean函数就是除以个数(Ncls)求平均

(2)Fast RCNN分类损失

RPN的分类损失时二分类的交叉熵损失,而Fast RCNN是多分类的交叉熵损失(当你训练的类别数>2时,这里假定类别数为5)。在Fast RCNN的训练过程中会选出128个rois,即Ncls = 128,标签的值就是0到4。代码为:

cross_entropy = tf.reduce_mean(
              tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(
              logits=tf.reshape(cls_score, [-1, self._num_classes]), labels=label))

2.2 回归损失

回归损失这块就RPN和Fast RCNN一起讲,公式为:

其中:

  •   是一个向量,表示anchor,RPN训练阶段(rois,FastRCNN阶段)预测的偏移量
  • 是与ti维度相同的向量,表示anchor,RPN训练阶段(rois,FastRCNN阶段)相对于gt实际的偏移量

R是smoothL1 函数,就是我们上面说的,不同之处是这里σ = 3,RPN训练(σ = 1,Fast RCNN训练),

对于每一个anchor 计算完部分后还要乘以P*,如前所述,P*有物体时(positive)为1,没有物体(negative)时为0,意味着只有前景才计算损失,背景不计算损失。inside_weights就是这个作用。

对于和Nreg的解释在RPN训练过程中如下(之所以以RPN训练为前提因为此时batch size = 256,如果是fast rcnn,batchsize = 128):

所以就是outside_weights,没有前景(fg)也没有后景(bg)的为0,其他为1/(bg+fg)=Ncls

代码:

    def _smooth_l1_loss(self, bbox_pred, bbox_targets, bbox_inside_weights, bbox_outside_weights, sigma=1.0, dim=[1]):
        sigma_2 = sigma ** 2
        box_diff = bbox_pred - bbox_targets #ti-ti* 
        in_box_diff = bbox_inside_weights * box_diff  #前景才有计算损失的资格
        abs_in_box_diff = tf.abs(in_box_diff) #x = |ti-ti*|
        smoothL1_sign = tf.stop_gradient(tf.to_float(tf.less(abs_in_box_diff, 1. / sigma_2))) #判断smoothL1输入的大小,如果x = |ti-ti*|小于就返回1,否则返回0
        #计算smoothL1损失
        in_loss_box = tf.pow(in_box_diff, 2) * (sigma_2 / 2.) * smoothL1_sign + (abs_in_box_diff - (0.5 / sigma_2)) * (1. - smoothL1_sign)
        out_loss_box = bbox_outside_weights * in_loss_box
        loss_box = tf.reduce_mean(tf.reduce_sum(
            out_loss_box,
            axis=dim
        ))
        return loss_box

一些感悟

论文中把Ncls,Nreg和都看做是平衡分类损失和回归损失的归一化权重,但是我在看tensorflow代码实现faster rcnn的损失时发现(这里以fast rcnn部分的分类损失和box回归损失为例,如下),可以看到在计算分类损失时,并没有输入Ncls这个参数,只是在计算box回归损失的时候输入了outside_weights这个参数。这时候我才意识到分类损失是交叉熵函数,求和后会除以总数量,除以Ncls已经包含到交叉熵函数本身。

为了平衡两种损失的权重,outside_weights的取值取决于Ncls,而Ncls的取值取决于batch_size。因此才会有

            # RCNN, class loss
            cls_score = self._predictions["cls_score"]
            label = tf.reshape(self._proposal_targets["labels"], [-1])

            cross_entropy = tf.reduce_mean(
                tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(
                    logits=tf.reshape(cls_score, [-1, self._num_classes]), labels=label))

            # RCNN, bbox loss
            bbox_pred = self._predictions['bbox_pred'] #(128,12)
            bbox_targets = self._proposal_targets['bbox_targets'] #(128,12)
            bbox_inside_weights = self._proposal_targets['bbox_inside_weights']#(128,12)
            bbox_outside_weights = self._proposal_targets['bbox_outside_weights']#(128,12)

            loss_box = self._smooth_l1_loss(bbox_pred, bbox_targets, bbox_inside_weights, bbox_outside_weights)

 

### Faster R-CNN 损失函数详解 #### 分类损失 (Classification Loss) Faster R-CNN 的分类损失采用的是对数似然损失(log-likelihood loss),也称为交叉熵损失(cross-entropy loss)[^4]。这种损失函数广泛应用于多类别逻辑斯蒂回归和神经网络中,特别适合处理分类问题。 对于每一个区域建议(region proposal),如果其被标记为前景(foreground)或者背景(background),那么就会计算对应的交叉熵损失。具体来说: \[ L_{cls} = -\sum_i \left[y_i \log(p_i) + (1-y_i)\log(1-p_i)\right], \] 其中 \( y_i \) 表示真实标签(0 或者 1),\( p_i \) 则表示模型预测该位置属于某一特定类别的概率得分。 #### 边界框回归损失 (Bounding Box Regression Loss) 边界框回归部分旨在调整候选框的位置使其更接近实际目标物体的真实坐标。为了实现这一点,采用了平滑的L1范数作为损失度量标准[^2]。相比于简单的均方差(MSE/L2)损失,这种方法能够减少异常值的影响并提供更加稳定的训练过程。 具体的损失表达式如下所示: \[ L_{reg}(t^u|v) = \begin{cases} 0.5x^2 & |x|\leqslant 1 \\ |x|-0.5& otherwise \end{cases}, \quad where \; x=t^u-v, \] 这里 \( t^u \) 和 \( v \) 分别代表预测的目标框参数化后的偏移量与真实的GT框之间的差异;而整个公式则用来衡量两者间的差距大小。 此外,在实际应用过程中还会引入 `bbox_inside_weight` 和 `bbox_outside_weights` 来控制不同样本间的重要性程度[^3]。前者用于指示哪些锚点(anchor boxes)应该参与回归任务(`p*`),后者则是通过调节系数(\( N(reg), λ, N(cls) \))来平衡两类子任务之间可能存在的不平衡现象。 ```python def smooth_l1_loss(bbox_pred, bbox_targets, sigma=1.0): """ Smoothed version of the L1 loss function. Args: bbox_pred: Predictions from bounding box regression layer. bbox_targets: Ground truth target values for each anchor. sigma: Scaling factor applied to squared terms within range [-sigma,+sigma]. Returns: Computed smoothed L1 loss value per element across all dimensions except batch size dimension. """ diff = torch.abs(bbox_pred - bbox_targets) cond = diff < (1 / sigma ** 2) loss = torch.where(cond, 0.5 * sigma ** 2 * diff ** 2, diff - 0.5 / sigma ** 2) return loss.sum(dim=-1).mean() ``` 综上所述,Faster R-CNN 结合了两种类型的损失——分类损失和定位损失,并利用加权求和的方式得到最终的整体损失函数。这使得算法不仅能够在图像中精确定位对象,还能有效地对其进行分类识别。
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