Caffe Loss 层 - SigmoidCrossEntropyLoss 推导与Python实现
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2024-03-14 21:38:11
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Caffe Loss 层 - SigmoidCrossEntropyLoss 推导与Python实现
[原文 - Caffe custom sigmoid cross entropy loss layer].
很清晰的一篇介绍,学习下.
1. Sigmoid Cross Entropy Loss 推导
Sigmoid Cross Entropy Loss 定义形式:
其中,
- - target 或 label;
- - Sigmoid Score,
则有:
公式推导有:
合并相关项:
即:
<1>
(左) 和 (右) 的函数特点:
随着 值的增加而减小,当 值为较大的负值时, 值变得非常大,很容易引起溢出(overflow). 也就是说,函数需要避免出现这种数据类型.
因此,为了避免溢出,对损失函数 进行改动. 即,当 时,采用 进行修改损失函数:
原损失函数: <1>
有:
最后一项乘以 :
有:
<2>
根据 <1> 和 <2>,可以得到最终的损失函数:
合二为一,有:
2. Sigmoid Cross Entropy Loss 求导计算
当 时,,
有:
有:
第二项为 Sigmoid 函数,故,
当 时,,
第二项为 Sigmoid 函数,故,
可以看出,对于 和 ,其求导的结果是一样的,都是 target 值与 Sigmoid 值的差值.
3. 基于 Python 定制 caffe loss layer
Caffe 官方给出了基于 Python 定制 EuclideanLossLayer 的 Demo.
这里,根据上面的公式推导,创建基于 Python 的 Caffe SigmoidCrossEntropyLossLayer.
Caffe 自带的是 C++ 实现 - SigmoidCrossEntropyLossLayer,可见 Caffe Loss层 - SigmoidCrossEntropyLossLayer.
假设 .
3.1 SigmoidCrossEntropyLossLayer 实现
import caffe
import scipy
class CustomSigmoidCrossEntropyLossLayer(caffe.Layer):
def setup(self, bottom, top):
# check for all inputs
if len(bottom) != 2:
raise Exception("Need two inputs (scores and labels) to compute sigmoid crossentropy loss.")
def reshape(self, bottom, top):
# check input dimensions match between the scores and labels
if bottom[0].count != bottom[1].count:
raise Exception("Inputs must have the same dimension.")
# difference would be the same shape as any input
self.diff = np.zeros_like(bottom[0].data, dtype=np.float32)
# layer output would be an averaged scalar loss
top[0].reshape(1)
def forward(self, bottom, top):
score=bottom[0].data
label=bottom[1].data
first_term=np.maximum(score,0)
second_term=-1*score*label
third_term=np.log(1+np.exp(-1*np.absolute(score)))
top[0].data[...]=np.sum(first_term+second_term+third_term)
sig=scipy.special.expit(score)
self.diff=(sig-label)
if np.isnan(top[0].data):
exit()
def backward(self, top, propagate_down, bottom):
bottom[0].diff[...]=self.diff
3.2 prototxt 中定义
layer {
type: 'Python'
name: 'loss'
top: 'loss_opt'
bottom: 'score'
bottom: 'label'
python_param {
# the module name -- usually the filename -- that needs to be in $PYTHONPATH
module: 'loss_layers'
# the layer name -- the class name in the module
layer: 'CustomSigmoidCrossEntropyLossLayer'
}
include {
phase: TRAIN
}
# set loss weight so Caffe knows this is a loss layer.
# since PythonLayer inherits directly from Layer, this isn't automatically
# known to Caffe
loss_weight: 1
}