語義分割單通道和多通道輸出交叉熵損失函式的計算問題

本文驗證了語義分割任務下，單通道輸出和多通道輸出時，使用交叉熵計算損失值的細節問題。對比驗證了使用簡單的函式和自帶損失函式的結果，通過驗證，進一步加強了對交叉熵的理解。

交叉熵損失函式的原理和推導過程，可以參考這篇博文，交叉熵的計算公式如下：

\[ce(p,q) = -p*log(q)

\]其中 \(q\) 為**的概率，\(q∈[0,1]\)， \(p\) 為標籤，\(p∈\\)。

而交叉熵損失函式則是利用上式計算每乙個分類的交叉熵之和。對於概率，所有分類的概率 \(q\) 之和滿足相加等於1，而對於標籤，則需要進行one-hot編碼，使得有且只有乙個分類的 \(p\) 為1，其餘的分類為0。

首先，假設我們研究的是乙個二分類語義分割問題。

網路的輸入是乙個 2×2 的影象，設定 batch_size 為 2，網路輸出單通道特徵圖。網路的標籤也是乙個 2 ×2 的二進位制掩模圖（即只有0和1的單通道影象）。

我們在pytorch中將其定義：

import torch
# 假設輸出乙個 [batch_size=2, channel=1, height=2, width=2] 格式的張量 x1
x1 = torch.tensor(
[[[[ 0.43, -0.25],
[-0.32, 0.69]]],
[[[-0.29, 0.37],
[0.54,  -0.72]]]])
# 假設標籤影象為與 x1 同型的張量 y1
y1 = torch.tensor(
[[[[0., 0.],
[0., 1.]]],
[[[0., 0.],
[1.,  1.]]]])

在進行交叉熵前，首先需要做乙個sigmoid操作，將數值壓縮到0到1之間：

# 根據二進位制交叉熵的計算過程
# 首先進行sigmoid計算，然後與標籤影象進行二進位制交叉熵計算，最後取平均值，即為損失值
# 1. sigmoid
s1 = torch.sigmoid(x1)
s1'''
out:
tensor([[[[0.6059, 0.4378],
[0.4207, 0.6660]]],
[[[0.4280, 0.5915],
[0.6318, 0.3274]]]]
'''

然後進行交叉熵計算，由於計算的是每個畫素的損失值，所以要取個平均值：

# 2.交叉熵計算
loss_cal = -1*(y1*torch.log(s1)+(1-y1)*torch.log(1-s1)) # 此處相當於乙個one-hot編碼
loss_cal_mean = torch.mean()
loss_cal_mean
'''out:
tensor(0.6861)
'''

為了驗證結果，我們使用pytorch自帶的二進位制交叉熵損失函式計算：

# 使用torch自帶的二進位制交叉熵計算
loss_bce = torch.nn.bceloss()(s1,y1)
loss_bce
'''out:
tensor(0.6861)
'''

當計算損失值前沒有進行sigmoid操作時，pytorch還提供了包含這個操作的二進位制交叉熵損失函式：

# 使用帶sigmoid的二進位制交叉熵計算
loss_bce2 = torch.nn.bcewithlogitsloss()(x1,y1)
loss_bce2
'''out:
tensor(0.6861)
'''

可以看到，我們使用了三種方式，計算了交叉熵損失，結果一致。

首先，假設我們研究的是乙個二分類語義分割問題。

網路的輸入是乙個 2×2 的影象，設定batch_size為 2，網路輸出多（二）通道特徵圖。網路的標籤也是乙個 2 ×2 的二進位制掩模圖（即只有0和1的單通道影象）。

我們在pytorch中將其定義：

# 假設輸出乙個[batch_size=2, channel=2, height=2, width=2]格式的張量 x1
x1 = torch.tensor([[[[ 0.3164, -0.1922],
[ 0.4326, -1.2193]],
[[ 0.6873,  0.6838],
[ 0.2244,  0.5615]]],
[[[-0.2516, -0.8875],
[-0.6289, -0.1796]],
[[ 0.0411, -1.7851],
[-0.3069, -1.0379]]]])
# 假設標籤影象為與x1同型，然後去掉channel的張量 y1 （注意兩點，channel沒了，格式為longtensor）
y1 = torch.longtensor([[[0., 1.],
[1., 0.]],
[[1., 1.],
[0., 1.]]])

在進行交叉熵前，首先需要做乙個softmax操作，將數值壓縮到0到1之間，且使得各通道之間的數值之和為1：

# 1.softmax
s1 = torch.softmax(x1,dim=1)
s1'''
out:
tensor([[[[0.4083, 0.2940],
[0.5519, 0.1442]],
[[0.5917, 0.7060],
[0.4481, 0.8558]]],
[[[0.4273, 0.7105],
[0.4202, 0.7023]],
[[0.5727, 0.2895],
[0.5798, 0.2977]]]])
'''

對於標籤圖，由於其張量的形狀與網路輸出張量不一樣，因此需要做乙個one-hot轉換，什麼是one-hot？請看這篇博文：

# 2.one-hot
y1_one_hot = torch.zeros_like(x1).scatter_(dim=1,index=y1.unsqueeze(dim=1),src=torch.ones_like(x1))
y1_one_hot
'''out:
tensor([[[[1., 0.],
[0., 1.]],
[[0., 1.],
[1., 0.]]],
[[[0., 0.],
[1., 0.]],
[[1., 1.],
[0., 1.]]]])
'''

這裡需要重點理解這個scatter_函式，他起到的作用十分關鍵，one-hot轉換時，其實可以理解為將乙個同型的全1矩陣中的元素，有選擇性的複製到全0矩陣中的過程，這裡的選擇依據就是我們的標籤圖，它決定了哪個位置和通道上的元素取值為 1 。在scatter_函式中，dim決定了用於確定我們在哪個維度上開始定位要建立聯絡的元素，index是我們選擇的依據。

按照交叉熵定義，繼續計算：

# 交叉熵計算
loss_cal = -1 *(y1_one_hot * torch.log(s1)) 
loss_cal_mean = loss_cal.sum(dim=1).mean() # 在batch維度下計算每個樣本的交叉熵
loss_cal_mean
'''out:
tensor(0.9823)
'''

我們也可以使用pytorch自帶的交叉熵損失函式計算：

loss_ce = torch.nn.crossentropyloss()(x1,y1)
loss_ce
'''tensor(0.9823)
'''

可以看到，兩種方式結果一樣。

[1] pytorch中的 scatter_()函式使用和詳解

[2] pytorch交叉熵使用方法

[3] pytorch損失函式之nn.bceloss()（為什麼用交叉熵作為損失函式）

[4] pytorch損失函式之nn.crossentropyloss()、nn.nllloss()

[5] pytorch中名不符實的損失函式

[6] pytorch中softmax、log_softmax、nllloss以及crossentropyloss的關係與區別詳解

[7] 二分類問題，應該選擇sigmoid還是softmax？

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單通道和多通道卷積

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