YOLO的损失函数

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yolo的损失函数,面试的时候被问到了。之前确实式看过,但是忘记了,三项一共答出来两项。昨天一直拖着不想弄,事实上每一次的面试也是一次进步的机会。主要是yolov3论文里没有提到具体的损失函数。那我就从pytorch那边来简单的分析下yolov3的损失函数把。

            #顾名思义这里的x,y,z,w都是采用的最小均方差来评判误差
            #位置损失
            loss_x = self.mse_loss(x[obj_mask], tx[obj_mask])
            loss_y = self.mse_loss(y[obj_mask], ty[obj_mask])
            loss_w = self.mse_loss(w[obj_mask], tw[obj_mask])
            loss_h = self.mse_loss(h[obj_mask], th[obj_mask])
            #我们进去看看
            #nn.MSELoss()
            #调用的nn的模块

            #置信度损失,即有没有这个物体的概率
            #bce_loss是什么东西,我们进入瞧瞧nn.BCELoss(),采用二进制交叉熵
            loss_conf_obj = self.bce_loss(pred_conf[obj_mask], tconf[obj_mask])
            loss_conf_noobj = self.bce_loss(pred_conf[noobj_mask], tconf[noobj_mask])
            loss_conf = self.obj_scale * loss_conf_obj + self.noobj_scale * loss_conf_noobj
            
            #分类的损失 二分类交叉熵,bce_loss其实是个迭代器计算所有的误差然后求和。
            loss_cls = self.bce_loss(pred_cls[obj_mask], tcls[obj_mask])
            #all
            total_loss = loss_x + loss_y + loss_w + loss_h + loss_conf + loss_cls

下面介绍下BCELoss 二分类交叉熵 Binary Cross Entropy

torch.nn.BCELoss(weight=Nonesize_average=Nonereduce=Nonereduction='mean')

创建一个衡量目标和输出的binary_cross_entropy误差

Creates a criterion that measures the Binary Cross Entropy between the target and the output:

没有educed的loss可以描述为

The unreduced (i.e. with reduction set to 'none') loss can be described as:

\ell(x, y) = L = \{l_1,\dots,l_N\}^\top, \quad l_n = - w_n \left[ y_n \cdot \log x_n + (1 - y_n) \cdot \log (1 - x_n) \right],ℓ(x,y)=L={l1​,…,lN​}⊤,ln​=−wn​[yn​⋅logxn​+(1−yn​)⋅log(1−xn​)],

where NN is the batch size. If reduction is not 'none' (default 'mean'), then

\ell(x, y) = \begin{cases} \operatorname{mean}(L), & \text{if reduction} = \text{'mean';}\\ \operatorname{sum}(L), & \text{if reduction} = \text{'sum'.} \end{cases}ℓ(x,y)={mean(L),sum(L),​if reduction=’mean’;if reduction=’sum’.​

这用于测量重建的误差,例如自动编码器。注意y的范围为0-1

This is used for measuring the error of a reconstruction in for example an auto-encoder. Note that the targets yy should be numbers between 0 and 1.

Parametersyong

  • weight (Tensoroptional) – a manual rescaling weight given to the loss of each batch element. If given, has to be a Tensor of size nbatch.

  • 一个控制缩放因子,控制每一个batch中占的权重

  • size_average (booloptional) – Deprecated (see reduction). By default, the losses are averaged over each loss element in the batch. Note that for some losses, there are multiple elements per sample. If the field size_average is set to False, the losses are instead summed for each minibatch. Ignored when reduce is False. Default: True

  • reduce (booloptional) – Deprecated (see reduction). By default, the losses are averaged or summed over observations for each minibatch depending on size_average. When reduce is False, returns a loss per batch element instead and ignores size_average. Default: True

  • reduction (stringoptional) – Specifies the reduction to apply to the output:'none' | 'mean' | 'sum''none': no reduction will be applied, 'mean': the sum of the output will be divided by the number of elements in the output, 'sum': the output will be summed. Note: size_average and reduce are in the process of being deprecated, and in the meantime, specifying either of those two args will override reduction. Default: 'mean'

Shape:

  • Input: (N, *)(N,∗) where *∗ means, any number of additional dimensions

  • Target: (N, *)(N,∗) , same shape as the input

  • Output: scalar. If reduction is 'none', then (N, *)(N,∗) , same shape as input.

Examples:

>>> m = nn.Sigmoid()
>>> loss = nn.BCELoss()
>>> input = torch.randn(3, requires_grad=True)
>>> target = torch.empty(3).random_(2)
>>> output = loss(m(input), target)
>>> output.backward()

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### YOLO 模型的损失函数定义与计算方式 YOLO(You Only Look Once)是一种单阶段的目标检测算法,其核心思想是将目标检测视为一个回归问题。以下是关于 YOLO 损失函数的具体定义、计算方法及其公式的解释。 #### 1. **YOLOv1 的损失函数** 在 YOLOv1 中,整个图像被划分为 \( S \times S \) 的网格单元格,每个网格负责预测 \( B \) 个边界框和对应的置信度分数以及类别的概率分布。损失函数由多个部分组成: - **位置误差 (Position Error)** 对于每个负责预测对象的网格单元,使用平方和误差来衡量预测坐标 (\(x, y\)) 和真实值之间的差异: \[ \lambda_{coord} \sum_{i=0}^{S^2} \mathbb{I}_{ij}^{obj} [(x_i - \hat{x}_i)^2 + (y_i - \hat{y}_i)^2] \] 这里,\( \lambda_{coord} \) 是权重系数,用于平衡不同项的影响;\( \mathbb{I}_{ij}^{obj} \) 表示第 \( i \) 个网格是否有物体存在[^3]。 - **尺寸误差 (Size Error)** 预测的宽度和高度 (\(w, h\)) 使用根号处理以减少大框和小框之间尺度差异带来的影响: \[ \lambda_{coord} \sum_{i=0}^{S^2} \mathbb{I}_{ij}^{obj} [(\sqrt{w_i} - \sqrt{\hat{w}_i})^2 + (\sqrt{h_i} - \sqrt{\hat{h}_i})^2] \] - **置信度误差 (Confidence Error)** 置信度表示预测框与实际地面实况框的重叠程度(IoU)。对于有物体的网格,使用均方误差评估 IoU 差异;而对于无物体的网格,则希望置信度接近零: \[ \sum_{i=0}^{S^2} \sum_{j=0}^{B} \mathbb{I}_{ij}^{obj} (C_i - \hat{C}_i)^2 + \lambda_{noobj} \sum_{i=0}^{S^2} \sum_{j=0}^{B} \mathbb{I}_{ij}^{noobj} (C_i - \hat{C}_i)^2 \] 其中,\( C_i \) 是预测的置信度,\( \hat{C}_i \) 是真实的 IoU 值,\( \lambda_{noobj} \) 控制无物体区域的惩罚力度。 - **类别误差 (Class Error)** 类别预测通常通过交叉熵损失或均方误差完成。假设总共有 \( C \) 种可能的类别: \[ \sum_{i=0}^{S^2} \mathbb{I}_{i}^{obj} \sum_{c=0}^{C} (p_i(c) - \hat{p}_i(c))^2 \] 此处,\( p_i(c) \) 是真实标签的概率,\( \hat{p}_i(c) \) 是网络输出的概率。 最终的损失函数可以写为上述各项的加权组合。 --- #### 2. **改进版 YOLO 损失函数** 随着版本迭代,后续的 YOLO 版本引入了一些新的损失函数设计思路: - **Focal Loss** 在 YOLOv2 及之后的版本中,为了应对样本不平衡问题(即背景占多数),提出了 Focal Loss 来降低易分类负样本的权重。具体公式如下: \[ FL(p_t) = -(1-p_t)^\gamma \log(p_t) \] 其中,\( p_t \) 是模型预测的概率,\( \gamma \) 调控难分样本的重要性[^2]。 - **SIoU Loss** SIoU(Symmetric Intersection over Union)是对传统 IoU 的扩展,考虑了方向性和形状相似性等因素。它的优化目标更贴近实际需求,在某些场景下表现优于 MSE 或 BCE 损失。 --- #### 3. **代码实现示例** 以下是一个简单的 PyTorch 实现片段,展示如何基于 YOLOv1 的损失函数框架构建自定义损失模块: ```python import torch.nn as nn import torch class YOLOLoss(nn.Module): def __init__(self, lambda_coord=5, lambda_noobj=0.5): super(YOLOLoss, self).__init__() self.lambda_coord = lambda_coord self.lambda_noobj = lambda_noobj def forward(self, predictions, targets): # 提取预测值和目标值 pred_xywh = predictions[:, :, :4] target_xywh = targets[:, :, :4] obj_mask = targets[:, :, 4].unsqueeze(-1).bool() noobj_mask = ~obj_mask # 计算位置误差 xy_loss = self.lambda_coord * ((pred_xywh[obj_mask][:, :2] - target_xywh[obj_mask][:, :2]) ** 2).mean() wh_loss = self.lambda_coord * ((torch.sqrt(pred_xywh[obj_mask][:, 2:]) - torch.sqrt(target_xywh[obj_mask][:, 2:])) ** 2).mean() # 计算置信度误差 conf_obj_loss = ((predictions[obj_mask][:, 4] - targets[obj_mask][:, 4]) ** 2).mean() conf_noobj_loss = self.lambda_noobj * ((predictions[noobj_mask][:, 4] - targets[noobj_mask][:, 4]) ** 2).mean() # 计算类别误差 class_loss = ((predictions[obj_mask][:, 5:] - targets[obj_mask][:, 5:]) ** 2).mean() total_loss = xy_loss + wh_loss + conf_obj_loss + conf_noobj_loss + class_loss return total_loss ``` --- ### 总结 YOLO损失函数综合考虑了几何定位精度、置信度估计准确性以及类别分类能力等多个方面。早期版本主要依赖 SSE 损失,而后期则融入更多高级技术如 Focal Loss 和 SIoU Loss,进一步提升了性能。
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