yolov8/yolov10 损失函数代码解析

torch文档:https://pytorch.org/docs/stable/tensors.html

损失函数

代码位置https://github.com/ultralytics/ultralytics/blob/main/ultralytics/utils/loss.py
假设batch_size=4 number_classes=6 输入img_size=640(训练过程中自动转换为[640,640])

class v8DetectionLoss:
    """Criterion class for computing training losses."""

    def __init__(self, model, tal_topk=10):  # model must be de-paralleled
        """Initializes v8DetectionLoss with the model, defining model-related properties and BCE loss function."""
        device = next(model.parameters()).device  # get model device
        h = model.args  # 超参数

        m = model.model[-1]  # Detect() module
        self.bce = nn.BCEWithLogitsLoss(reduction="none")
        self.hyp = h
        self.stride = m.stride  # 步长 8 16 32 
        # 假设输入图片640x640 
        # 那么对应anchor就是 [640/8,640/8][640/16,640/16][640/32,640/32]
        # ->[80,80][40,40][20,20]->6400+1600+400=8400这里和yolov5计算相同
        self.nc = m.nc  # 类别数量 假设为6方便计算其他值
        self.no = m.nc + m.reg_max * 4	# 每个anchor输出数量 类别+位置*dfl通道数=6+16*4=
        self.reg_max = m.reg_max	# dfl损失通道数,固定16
        self.device = device

        self.use_dfl = m.reg_max > 1

        self.assigner = TaskAlignedAssigner(topk=tal_topk, num_classes=self.nc, alpha=0.5, beta=6.0)
        self.bbox_loss = BboxLoss(m.reg_max).to(device)
        self.proj = torch.arange(m.reg_max, dtype=torch.float, device=device)	# [0,1,...15]

    def preprocess(self, targets, batch_size, scale_tensor):
        """Preprocesses the target counts and matches with the input batch size to output a tensor."""
        nl, ne = targets.shape	# nl目标数量  ne=6对应真实的坐标xywh+batch中img的id+类别
        if nl == 0:
            out = torch.zeros(batch_size, 0, ne - 1, device=self.device)
        else:
            i = targets[:, 0]  # 对应batch['batch_idx'] batch中img的id
            _, counts = i.unique(return_counts=True)	# 统计重复元素个数
            counts = counts.to(dtype=torch.int32)
            out = torch.zeros(batch_size, counts.max(), ne - 1, device=self.device)	# 输出张量
            for j in range(batch_size):
                matches = i == j	# 匹配第j个batch中的img_id目标
                n = matches.sum()	# 统计上述个数
                if n:	# 如果gt有目标 (一张训练的图片中有标注目标)
                    out[j, :n] = targets[matches, 1:]	# 取出对应目标的类别和box
            out[..., 1:5] = xywh2xyxy(out[..., 1:5].mul_(scale_tensor)) # box的真实坐标xyxy
        return out

    def bbox_decode(self, anchor_points, pred_dist):
        """Decode predicted object bounding box coordinates from anchor points and distribution."""
        if self.use_dfl:
            b, a, c = pred_dist.shape  # batch, anchors, channels=m.reg_max*4
            pred_dist = pred_dist.view(b, a, 4, c // 4).softmax(3).matmul(self.proj.type(pred_dist.dtype))
            # 这里假设类别为6 batch_size为4,那么b,a,c=4,8400,64
            # pred_dist.view -> 4,8400,64 -> 4,8400,4,16 最后一维对应dfl通道数
            # softmax(3)对上诉的结果的dim=3(对dfl通道16那维)进行归一化概率(和为1,实际为 e^i/e^(all) )
            # matmul这里直接理解为矩阵乘法  4,4800,4,16 * 16 = 4,4800,4  所以上诉两行代码就是做dfl矩阵乘法
        return dist2bbox(pred_dist, anchor_points, xywh=False)

    def __call__(self, preds, batch):
        """Calculate the sum of the loss for box, cls and dfl multiplied by batch size."""
        loss = torch.zeros(3, device=self.device)  # box, cls, dfl 这里可以看出损失分为box,分类,dfl
        feats = preds[1] if isinstance(preds, tuple) else preds	
        
        # 相当于 torch.cat((feat[0].view(4,70,-1), (feat[1].view(4,70,-1), (feat[2].view(4,70,-1),).split(16*4,6),1)
        # 说人话就是三种步长的特征值(前向传播结果)连起来再单独把作为分类得分的为一组,其余的为一组  
        pred_distri, pred_scores = torch.cat([xi.view(feats[0].shape[0]</
### YOLOv8目标检测中改进损失函数的方法 #### 背景与挑战 在密集目标检测场景下,尤其是针对小目标检测的任务,传统的交叉熵损失(Cross-Entropy Loss)可能无法充分捕捉到样本之间的分布差异以及类别不平衡问题。因此,引入更加高效的损失函数对于提升YOLOv8的小目标检测性能至关重要。 #### VarifocalLoss简介及其优势 VarifocalLoss是一种专门为密集目标检测设计的新型损失函数,在处理小目标检测方面具有显著的优势。它不仅考虑了正负样本的质量权重,还通过动态调整焦距因子和分类置信度来减少简单背景样本的影响[^1]。这种特性使得VarifocalLoss特别适合于解决小目标检测中的困难样本问题。 #### 实现步骤详解 为了将VarifocalLoss集成至YOLOv8并优化其小目标检测能力,可以按照以下方式操作: 1. **修改`metrics.py`文件** 需要在`metrics.py`中定义新的损失函数逻辑。具体来说,需要替换原有的Focal Loss部分为VarifocalLoss实现代码[^3]。 2. **核心公式解析** VarifocalLoss的核心公式如下所示: \[ L_{vf} = -\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}[p_i^\ast(1-p_i)^{\gamma_1}\log(p_i)+(1-p_i^\ast)(p_i)^{\gamma_0}\log(1-p_i)] \] 其中\( p_i^\ast \)表示真实标签的概率值;\( p_i \)代表预测概率;而 \( \gamma_1, \gamma_0 \) 则分别为正类和负类的焦点参数。 3. **Python代码示例** 下面给出了一段基于PyTorch框架的一比一复现VarifocalLoss的代码片段: ```python import torch def varifocal_loss(preds, targets, gamma_pos=2.0, gamma_neg=2.0): """ 计算Varifocal Loss 参数: preds (Tensor): 模型输出的预测分数 [batch_size, num_classes]. targets (Tensor): 真实标签 [batch_size, num_classes]. gamma_pos (float): 正类焦点参数. gamma_neg (float): 负类焦点参数. 返回: loss (Tensor): 平均损失值. """ pos_weights = targets.eq(1).float() neg_weights = (1 - targets).pow(gamma_neg) focal_weight = pos_weights * (1 - preds).pow(gamma_pos) + \ (1 - pos_weights) * preds.pow(gamma_pos) * \ (neg_weights / ((1 - preds).pow(gamma_pos) + 1e-8)) cls_loss = -(focal_weight * (targets * torch.log(preds.clamp(min=1e-6)) + (1 - targets) * torch.log((1 - preds).clamp(min=1e-6)))) return cls_loss.mean() ``` 4. **进一步优化方向** 可以尝试不同的策略来增强VarifocalLoss的效果,比如研究更优的焦距因子计算方法或者将其与其他类型的损失函数结合起来共同作用[^2]。 #### 结论 通过对YOLOv8中小目标检测所使用的损失函数进行合理的选择与定制化改造,能够有效改善模型的整体表现力。特别是采用像VarifocalLoss这样先进的技术手段后,预期会在复杂环境下的小物体识别任务上取得更好的成果。
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