Focal Loss2

Introduction

此篇论文获得了ICCV最佳学生论文奖，指导人是FAIR的He Kaiming大神：

众所周知，detector主要分为以下两大门派：

-	one stage系	two stage系
代表性算法	YOLOv1、SSD、YOLOv2、YOLOv3	R-CNN、SPPNet、Fast R-CNN、Faster R-CNN
检测精度	低	高
检测速度	快	慢

这种鱼(speed)与熊掌(accuracy)不可兼得的局面一直成为Detection的瓶颈。

究其原因，就是因为one-stage受制于万恶的 “类别不平衡” 。

1. 什么是“类别不平衡”呢？

   详细来说，检测算法在早期会生成一大波的bbox。而一幅常规的图片中，顶多就那么几个object。这意味着，绝大多数的bbox属于background。

2. “类别不平衡”又如何会导致检测精度低呢？

   因为bbox数量爆炸。
   正是因为bbox中属于background的bbox太多了，所以如果分类器无脑地把所有bbox统一归类为background，accuracy也可以刷得很高。于是乎，分类器的训练就失败了。分类器训练失败，检测精度自然就低了。

3. 那为什么two-stage系就可以避免这个问题呢？

   因为two-stage系有RPN罩着。
   第一个stage的RPN会对anchor进行简单的二分类（只是简单地区分是前景还是背景，并不区别究竟属于哪个细类）。经过该轮初筛，属于background的bbox被大幅砍削。虽然其数量依然远大于前景类bbox，但是至少数量差距已经不像最初生成的anchor那样夸张了。就等于是 从 “类别 极 不平衡” 变成了 “类别 较 不平衡” 。
   不过，其实two-stage系的detector也不能完全避免这个问题，只能说是在很大程度上减轻了“类别不平衡”对检测精度所造成的影响。
   接着到了第二个stage时，分类器登场，在初筛过后的bbox上进行难度小得多的第二波分类(这次是细分类)。这样一来，分类器得到了较好的训练，最终的检测精度自然就高啦。但是经过这么两个stage一倒腾，操作复杂，检测速度就被严重拖慢了。

4. 那为什么one-stage系无法避免该问题呢？

   因为one stage系的detector直接在首波生成的“类别极不平衡”的bbox中就进行难度极大的细分类，意图直接输出bbox和标签（分类结果）。而原有交叉熵损失(CE)作为分类任务的损失函数，无法抗衡“类别极不平衡”，容易导致分类器训练失败。因此，one-stage detector虽然保住了检测速度，却丧失了检测精度。

这个时候，He Kaiming带着他的《Focal Loss》出现了。

该篇文章指出，“类别不平衡”是one-stage detector在精度上逊于two-stage detector的病结所在。

那么，只要通过将原先训练 回归任务 惯用的 交叉熵误差 (CE(pt)=−αtlog(pt)$CE(p_t)=-{\alpha }_t\log (p_t)$) 改为 FL (focal loss) 即可。

focal loss的标准公式非常简单：

FL(pt)=−(1−pt)γlog(pt)=(1−pt)γCE(ŷ )i$$FL(p_t)=-(1-p_t{)}^{\gamma }\log (p_t)=(1-p_t{)}^{\gamma }CE(\hat{y}{)}_i$$

也可以更复杂一点（论文中的实验即采用此公式）：

FL(pt)=−αt(1−pt)γlog(pt)$$FL(p_t)=-{\alpha }_t(1-p_t{)}^{\gamma }\log (p_t)$$

本质改进点在于，在原本的 交叉熵误差 (CE(pt)=−αtlog(pt)$CE(p_t)=-{\alpha }_t\log (p_t)$) 前面乘上了 (1−pt)γ$(1-p_t{)}^{\gamma }$ 这一权重。

我推算了一下乘上该权重所带来的影响：

loss量级	量大的类别 (如background)	量少的类别
被正确分类时的loss	大幅↓$\downarrow$	稍微↓$\downarrow$
被错误分类时的loss	适当↓$\downarrow$	近乎保持不变

也就是说，一旦乘上了该权重，量大的类别所贡献的loss被大幅砍削，量少的类别所贡献的loss几乎没有多少降低。虽然整体的loss总量减少了，但是训练过程中量少的类别拥有了更大的话语权，更加被model所关心了。

为此，FAIR还专门写了一个简单的one-stage detector来验证focal loss的强大。并将该网络结构起名RetinaNet：

文章也对于 γ$\gamma$ 的取值做了一番实验：

在实验中，发现 γ=2，α=0.25$\gamma =2，\alpha =0.25$ 的取值组合效果最好。

Innovation

文章的两大贡献：

1. new cls loss：Focal Loss
   

   FL(pt)=−(1−pt)γlog(pt)$$FL(p_t)=-(1-p_t{)}^{\gamma }\log (p_t)$$

2. new network：RetinaNet

   RetinaNet = FPN + sub-network + FL

Note：

• RetinaNet简单而十分强大，以至于成为了当下最佳(accuracy/speed/complexity trade-off)的detector之一。
• RetinaNet的detector部分是两条平行pipe-line，且 设计相同 (除了尾部的output不一样) 但 参数不共享 (Faster R-CNN中第一层的参数是共享的) 。
• reg_pipe-line直接输出target，所以是采用了无分类的bbox regressior(Faster R-CNN是每个类各一个bbox regressor)。

Result

新的detector标杆，state-of-the-art一词的新定义：

Thinking

• focal loss的提出就像海面上的冰山。虽然看起来只是一个公式（冰山一角），但其实是来源于FAIR对于类别不平衡根本原因的深刻洞察和分析（海平面下的部分）。

• 指出问题的意义远大于解决问题。focal loss很简单，但却是它第一个洞察到了one-stage detector的accuracy不高的问题根源在于“类别不平衡”。

• RetinaNet就是一个FPN-based的one-stage detector，靠着最后面的focal loss来解决由于过量background而引起的类别不平衡。

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[1] Focal Loss for Dense Object Detection
[2] 度学习: 分类 目标函数 (交叉熵误差(CE) -> 焦点误差(FL))