深度学习的多个 loss 是如何平衡的？

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来自 | 知乎 

地址 | https://www.zhihu.com/question/375794498

编辑 | AI有道 

在一个端到端训练的网络中，如果最终的loss = a*loss1+b*loss2+c*loss3...,对于a,b,c这些超参的选择，有没有什么方法？

作者：Evan
https://www.zhihu.com/question/375794498/answer/1052779937

其实这是目前深度学习领域被某种程度上忽视了的一个重要问题，在近几年大火的multi-task learning，generative adversarial networks, 等等很多机器学习任务和方法里面都会遇到，很多paper的做法都是暴力调参结果玄学……这里偷偷跟大家分享两个很有趣的研究视角

1. 从预测不确定性的角度引入Bayesian框架，根据各个loss分量当前的大小自动设定其权重。有代表性的工作参见Alex Kendall等人的CVPR2018文章：

Multi-Task Learning Using Uncertainty to Weigh Losses for Scene Geometry and Semantics

https://arxiv.org/abs/1705.07115

文章的二作Yarin Gal是Zoubin Ghahramani的高徒，近几年结合Bayesian思想和深度学习做了很多solid的工作。

2. 构建所有loss的Pareto，以一次训练的超低代价得到多种超参组合对应的结果。有代表性的工作参见Intel在2018年NeurIPS（对，就是那个刚改了名字的机器学习顶会）发表的：

Multi-Task Learning as Multi-Objective Optimization

http://papers.nips.cc/paper/7334-multi-task-learning-as-multi-objective-optimization

因为跟文章的作者都是老熟人，这里就不尬吹了，大家有兴趣的可以仔细读一读，干货满满。

作者：杨奎元-深动
链接：https://www.zhihu.com/question/375794498/answer/1050963528

1. 一般都是多个loss之间平衡，即使是单任务，也会有weight decay项。比较简单的组合一般通过调超参就可以。

2. 对于比较复杂的多任务loss之间平衡，这里推荐一篇通过网络直接预测loss权重的方法[1]。以两个loss为例，  和 由网络输出，由于整体loss要求最小，所以前两项希望 越大越好，为防止退化，最后第三项则希望越小越好。当两个loss中某个比较大时，其对应的也会取较大值，使得整体loss最小化，也就自然处理量纲不一致或某个loss方差较大问题。

该方法后来被拓展到了物体检测领域[2]，用于考虑每个2D框标注可能存在的不确定性问题。

[1] Alex Kendall, Yarin Gal, Roberto Cipolla. Multi-Task Learning Using Uncertainty to Weigh Losses for Scene Geometry and Semantics. CVPR, 2018.

[2] Yihui He, Chenchen Zhu, Jianren Wang, Marios Savvides, Xiangyu Zhang. Bounding Box Regression with Uncertainty for Accurate Object Detection. CVPR, 2019.

作者：郑泽嘉
链接：https://www.zhihu.com/question/375794498/answer/1056695768

Focal loss 会根据每个task的表现帮你自动调整这些参数的。

我们的做法一般是先分几个stage 训练。stage  0 : task 0, stage 1: task 0 and 1. 以此类推。在stage 1以后都用的是focal loss。

========== 没想到我也可以二更 ===============

是这样的。

首先对于每个 Task，你有个 Loss Function，以及一个映射到 [0, 1] 的 KPI (key performance indicator) 。比如对于分类任务, Loss function 可以是 cross entropy loss，KPI 可以是 Accuracy 或者 Average Precision。对于 regression 来说需要将 IOU 之类的归一化到 [0, 1] 之间。KPI 越高表示这个任务表现越好。

对于每个进来的 batch，每个Task_i 有个 loss_i。每个Task i 还有个不同的 KPI:  k_i。那根据 Focal loss 的定义，FL(k_i, gamma_i) = -((1 - k_i)^gamma_i) * log(k_i)。一般来说我们gamma 取 2。

于是对于这个 batch 来说，整个 loss = sum(FL(k_i, gamma_i) * loss_i)

在直观上说，这个 FL，当一个任务的 KPI 接近 0 的时候会趋于无限大，使得你的 loss 完全被那个表现不好的 task 给 dominate。这样你的back prop 就会让所有的权重根据那个kpi 不好的任务调整。当一个任务表现特别好 KPI 接近 1 的时候，FL 就会是0，在整个 loss 里的比重也会变得很小。

当然根据学习的速率不同有可能一开始学的不好的task后面反超其他task。http://svl.stanford.edu/assets/papers/guo2018focus.pdf 这篇文章里讲了如何像momentum 一样的逐渐更新 KPI。

由于整个 loss 里现在也要对 KPI 求导，所以文章里还有一些对于 KPI 求导的推导。

当然我们也说了，KPI 接近 0 时，Loss 会变得很大，所以一开始训练的时候不要用focal loss，要确保网络的权重更新到一定时候再加入 focal loss。

希望大家训练愉快。

作者：Hanson
链接：https://www.zhihu.com/question/375794498/answer/1077922077

对于多任务学习而言，它每一组loss之间的数量级和学习难度并不一样，寻找平衡点是个很难的事情。我举两个我在实际应用中碰到的问题。

第一个是多任务学习算法MTCNN，这算是人脸检测领域最经典的算法之一，被各家厂商魔改，其性能也是很不错的，也有很多版本的开源实现（如果不了解的话，传送门）。但是我在测试各种实现的过程中，发现竟然没有一套实现是超越了原版的。下图中是不同版本的实现，打了码的是我复现的结果。

这是一件很困扰的事情，参数、网络结构大家设置都大差不差。但效果确实是迥异。

clsloss表示置信度score的loss，boxloss表示预测框位置box的loss，landmarksloss表示关键点位置landmarks的loss。

那么 这几个权值，究竟应该设置为什么样的才能得到一个不错的结果呢？

其实有个比较不错的注意，就是只保留必要的那两组权值，把另外一组设置为0，比如 。为什么这么做？第一是因为关键点的回归在人脸检测过程中不是必要的,去了这部分依旧没什么大问题，也只有在这个假设的前提下才能进行接下来的实验。

就比如这个MTCNN中的ONet，它回归了包括score、bbox、landmarks，我在用pytorch复现的时候，出现一些有意思的情况，就是将landmarks这条任务冻结后（即 ），发现ONet的性能得到了巨大的提升。能超越原始版本的性能。

但是加上landmarks任务后（ ）就会对cls_loss造成影响，这就是一个矛盾的现象。而且和a、b、c对应的大小有很大关系。当设置成（ ）的时候关键点的精度真的是惨不忍睹，几乎没法用。当设置成（ ）的时候，loss到了同样一个数量级，landmarks的精度确实是上去了，但是score却不怎么让人满意。如果产生了这种现象，就证明了这个网络结构在设计的时候出现了一些缺陷，需要去修改backbone之后的multi-task分支，让两者的相关性尽量减小。或者是ONet就不去做关键点，而是选择单独的一个网络去做关键点的预测（比如追加一个LNet）。box的回归并不是特别受关键点影响，大部分情况box和landmarks是正向促进的，影响程度可以看做和score是一致的，box的精度即便下降了5%，它还是能框得住目标，因此不用太在意。

上面这个实验意在说明，要存在就好的loss权重组合，那么你的网络结构就必须设计的足够好。不然你可能还需要通过上述的实验就验证你的网络结构。从多种策略的设计上去解决这中loss不均衡造成的困扰。

好消息！
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