CN112766379B - 一种基于深度学习多权重损失函数的数据均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于深度学习多权重损失函数的数据均衡方法,应用深度学习模型的训练过程中,首先获取目标图像数据集,根据目标数据集确定数据样本的类别数目C和每类样本量Ni,确定超参数α、γ和每一类别样本重要性的加权系数Ci,确定多权重损失函数MWLfocal(z,y),并利用神经网络模型不断迭代训练,同时在训练过程中使用多权重损失函数进行误差计算,并使用反向传播算法,不断更新模型的权重参数,直至网络收敛达到预期目标,最终完成训练。利用此损失函数不仅可以同时处理不同数据类别的样本数量不均衡问题和分类难度不均衡问题,还可以进一步提高关键类的检测准确率,可以应用于存在数据不均衡问题的数据集,从而有效缓解类不均衡问题的影响。
Description
技术领域
本发明涉及人工智能、深度学习领域,具体涉及一种基于深度学习多权重损失函数的数据均衡方法。
背景技术
随着人工智能的快速发展,深度学习在许多方面都取得了非常显著的效果,如数据挖掘、自然语言处理、多媒体学习、推荐和个性化技术、医学图像处理领域等。深度学习通过大量的数据使机器模仿视听和思考等人类的活动,挖掘数据的特征,解决了很多复杂的难题。
获取大量的数据是一份非常耗时耗力的工作,且实际环境中的数据往往分布不均衡,从样本数量上来说,不同类别数据样本可能相差过大,例如在医学影像中,越是严重的疾病在同类相关疾病中占比越小,所采集的样本中也相对数量越少,但其误诊或漏诊所带来的代价却非常大。另一方面,从数据样本的区分难易程度上,不同类别数据的学习难度往往也不同,一些类别的特征相对简单固定,较容易训练,而一些类别样本的模式复杂多变,模型学习难度大。数据不均衡会影响神经网络的准确性,导致训练的神经网络模型更侧重于样本数目较多的、易于区分的样本类别,从而使数目较少、学习更为困难的样本类别识别准确率较低。
目前解决数据不均衡的问题可从数据层面和算法层面来入手。在数据层面,常借助数据重采样,即对数量较少的类别进行上采样,对数量较多的类别进行下采样;在算法层面上,常利用不同的损失函数来达成不同的训练目的,传统的模型训练时,常使用简单的交叉熵损失函数进行模型与实际数据之间的误差计算,针对数据不均衡问题,目前有如Focalloss损失函数、Class-Balanced Focal Loss损失函数等,即利用不同的权重来对应不同样本空间,从而在参数和误差更新时更有针对性的对训练起到关键性作用,达到缓解数据不均衡的目的。而重采样策略目前仍有很大的不足,其可能会产生大量的噪声、损失有价值的训练样本,同时当数据集数据不均衡现象严重时,仅靠重采样可能会导致模型过拟合现象的发生,且目前同时关注训练样本数量不均衡问题和样本学习难度不均衡问题的工作较少,仍然有待进一步挖掘。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提出一种基于深度学习多权重损失函数的数据均衡方法,利用此损失函数不仅可以同时处理不同数据类别的样本数量不均衡问题和分类难度不均衡问题,还可以进一步提高关键类的检测准确率,将其应用于存在数据不均衡问题的数据集,从而有效缓解类不均衡问题的影响。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是:
一种基于深度学习多权重损失函数的数据均衡方法,应用深度学习模型的训练过程中,包括以下内容:
步骤1:获取目标图像数据集,根据目标图像数据集确定样本的类别数目C和每类样本数量Ni,Ni为第i类别的样本数量;
步骤2:确定超参数α、γ和每类样本类别的加权系数Ci,分别用来调节不同权重的作用范围;
步骤3:确定多权重损失函数,此多权重损失函数用以下公式表示:
步骤4,将多权重损失函数用于神经网络模型训练的反向传播过程中,并利用不同的权重来对应不同数据样本进行损失计算,从而缓解不同类别数量不均衡和分类难度不均衡的问题的影响,直至网络收敛,最终达到网络训练的目的。
所述步骤1中所述样本的类别包括关键类别样本和普通类别样本,所述关键类别是指在训练时需要重点关注的样本类别;此外,同一类中的样本也分为困难样本和简单样本,所述困难样本是指在训练时难以分类的样本。
步骤2中所述数据样本的类别数目中的样本类为关键类时,Ci取大于1的数值,提高关键类样本的权重,超参数α、γ取值越大,数量较多的样本类别和类内的简单样本权重降低速率越快。
所述步骤2中,Ci,α、γ的取值均大于0,根据已有目标图像数据集设定初始值,选定初始值后,在训练神经网络模型时进一步搜索寻优,确定具体值。
所述步骤3中令权重wi用来处理不同类别样本数量不均衡问题的影响,当某一类别样本数量较少时,对应权重wi会相应较大,通过上述损失函数计算得到的损失也会增大,使得神经网络训练时更加关注这一数量较少的类别,从而缓解不同类别数量不均衡问题的影响。
所述步骤3中越大表明输出预测越接近样本真实标签,当样本为简单样本时,/>相应较大,此时/>就会越小,通过上述损失函数计算得到的损失相应较小,使得神经网络训练时对简单样本关注较少,更加关注困难样本,从而缓解类内简单样本与困难样本不均衡的影响。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)该方法可以有效缓解数据集中存在的类样本数量不均衡和分类难度不均衡问题的影响。
(2)利用此损失函数可以进一步提高关键类的检测准确率,从而进一步提升实际的应用价值。
(3)相较其他损失函数,本发明设计的带有多维权重的损失函数使训练的神经网络模型准确率得到提升,训练效果更好。
(4)该损失函数可进一步推广至其他存在数据不均衡的数据集中,使深度学习模型的训练效果提升。
附图说明
图1为本发明实现流程图;
图2为本发明的具体应用流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图,对本发明中的技术方案进行进一步的描述。当然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分,本发明的范围包括但不限于下述实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提出一种基于深度学习的多维权重损失函数,可以有效缓解数据集中存在的不同类别样本数量不均衡问题和分类难度不均衡问题的影响,同时利用此损失函数还可以进一步提高关键类的检测准确率,从而进一步提升训练结果的实际应用效果。
本发明提供一种应用于深度学习模型训练的多权重损失函数,通过利用不同维度的参数值,调节不同类别样本的权重,从而尽可能的减少类间样本不均衡问题和样本分类难易程度不均衡问题的影响。
本发明的多权重损失函数公式如下所示:
其中,FL(z,y)为Focal Loss损失函数,本发明在其基础上进行了一定改进,FocalLoss损失函数主要作用是将注意力聚焦在样本分类难易不均衡问题上,表达式如下所示:
式中的其中/>zi表示第i类样本上的预测值,y表示样本的真实值,当i=y时表明分类预测正确,其他表明分为了其他情形。表示输出预测正确的概率,γ为常数,用来调节易分类样本权重降低的速率,当γ=0时,FL即为普通的交叉熵损失函数,当γ增加时,其调整因子的影响也随之增加;
综上所述,本发明的多权重损失函数具体表示如下:
式中,z表示样本的预测值,y表示样本的真实值,当两者相差越小时说明训练效果越好,此时Loss越接近于0;
在等式右边中,C表示数据样本的类别数目,Ci表示每一类别样本重要性的加权系数,当样本类为关键类时,Ci可取大于1的数值,从而提高关键类别的权重;
Ni表示第i类的样本数量,令其中α为超参数,可利用不同的取值来调节wi的作用范围,权重wi用来处理不同类别样本数量不均衡问题的影响,当某一类别样本数量较少时,对应的权重wi会相应较大,通过上述损失函数计算得到的损失也会增大,使得神经网络训练时更加关注这一数量较少的类别,从而缓解不同类别数量不均衡问题的影响。
越大表明输出预测越接近样本真实标签,当样本为较容易分类的简单样本时,相应较大,此时/>就会越小,通过上述损失函数计算得到的损失相应较小,使得神经网络训练时对简单样本关注较少,更加关注困难样本,从而缓解类内简单样本与困难样本不均衡的影响。
该多维权重损失函数的相关参数确立方法如图1所示:
根据已有数据集,确定不同数据样本的类别个数C,计算每类样本的数量,即确定第i类的样本数Ni;超参数α、γ的取值均大于0,根据已有目标图像数据集特征设定初始值。
根据数据集的不同,确定相应的关键类,对不同数据类别分别设置每一类重要性的加权系数Ci,其中,Ci大于0,且数值越大,表示该类的训练结果越重要;
更进一步地,将训练样本数据送入神经网络模型,并利用本发明所提出的多维权重损失函数进行网络模型的训练,同时在神经网络模型训练过程中对超参数α、γ,加权系数Ci进行进一步的搜索寻优,确定具体值。
如图2所示,确定好的损失函数具体应用方式如下,在根据目标数据集确定好相关损失函数后,构建神经网络模型架构,并将数据集进行划分,对训练样本数据进行预处理,如进行数据增强、数据重采样等,并将处理后的训练样本输入到模型中进行训练;
在训练过程中,利用多维权重损失函数进行误差计算,获得预测与真实标签的误差损失,并通过神经网络模型中的反向传播机制进行参数更新,直至网络模型收敛,最终达到网络训练的目的。
由于在神经网络模型训练的过程中,主要根据损失误差和参数更新决定网络训练收敛的方向,而在利用不同的权重时网络的损失计算也不相同,故可以利用多权重损失函数不同的权重来对应的不同数据样本空间,从而缓解各类别数量不均衡和类内分类难度不均衡的影响。
以皮肤疾病自动检测分类为例,具体的实施方式如下:
为了验证此多权重损失函数的实际效果,以皮肤疾病自动检测分类为例,选取公开的HAM10000数据集作为目标数据集,该数据集共10015幅图像,包含7种类别;
其中包括6705幅黑色素痣(NV)、1113幅黑色素瘤(MEL)、1099幅良性角化病变(BKL)、514幅基底细胞癌(BCC)、327幅光化性角化病(AKIEC)、142幅血管病变(VASC)和115幅皮肤纤维瘤(DF)的图像;
更进一步地,将训练样本数据进行数据增强等预处理工作,为了对比不同损失函数的实际效果,本发明采取RegnetY-3.2GF神经网络模型,并设立超参数初始值α=1.1、γ=2,在此基础上进行了一系列实验对比,具体结果如表1所示:
表1
可以看到,当CMEL为1时,即不考虑关键类检测,只针对数据不均衡的情况下,此多权重损失函数相对于常规交叉熵损失函数、Class-Balanced Focal Loss损失函数平均识别准确率更高,可以达到0.864;
除此之外,由于黑色素瘤是最致命的皮肤疾病种类之一,因此对黑色素瘤的正确检测非常重要,在本数据集中,选取黑色素瘤为关键检测类,为了验证此损失函数对关键类的检测准确率,本发明选取了不同CMEL权重进行了对比,其他类别的权重设置为1,可以看到,随着黑色素瘤权重的增加,整体准确率虽然略有下降,但黑色素瘤的灵敏度有了显著的提高,在应用中更具有实际意义。
Claims (1)
1.一种用于皮肤图像分类的深度学习模型训练方法,其特征在于:包括以下内容:
步骤1:获取目标图像数据集,根据目标图像数据集确定图像数据样本的类别数目I和每类图像数据样本数量Ni,Ni为第i类别的图像数据样本数量;所述目标图像数据集为用于医学影像的皮肤图像HAM10000数据集;该数据集包含7种类别;
其中包括黑色素痣、黑色素瘤、良性角化病变、基底细胞癌、光化性角化病、血管病变和皮肤纤维瘤的图像;
步骤2:构建神经网络模型架构,对训练样本数据进行预处理,并将处理后的训练样本输入到模型中进行训练;确定超参数α、γ和每类图像数据样本类别的加权系数Ci,分别用来调节不同权重的作用范围;Ci,α、γ的取值均大于0,根据所述目标图像数据集设定初始值,选定初始值后,在训练神经网络模型时进一步搜索寻优,确定具体值;
步骤3:确定多权重损失函数,此多权重损失函数用以下公式表示:
步骤4:开始深度学习模型的迭代训练,在每一次迭代训练过程中使用多权重损失函数进行误差计算,并使用反向传播算法,更新模型参数的值,将多权重损失函数用于神经网络模型训练的反向传播过程中,并利用不同的权重来对应不同图像数据样本进行损失计算,从而缓解不同类别图像数量不均衡和图像分类难度不均衡的问题的影响;
步骤5,重复上述步骤4,不断迭代直至深度学习模型训练收敛,最终得到一个所有参数值确定的深度学习模型,将深度学习模型用于对所述目标图像数据集进行皮肤图像检测和分类,得到更好的分类准确率;
所述步骤1中所述图像数据样本的类别包括关键类别图像数据样本和普通类别图像数据样本,所述关键类别是指在训练时需要重点关注的图像数据样本类别;此外,同一类中的图像数据样本也分为困难图像数据样本和简单图像数据样本,所述困难图像数据样本是指在训练时难以分类的图像数据样本;
步骤2中所述图像数据样本的类别数目中的图像数据样本类为关键类时,Ci取大于1的数值,选取黑色素瘤为关键类,超参数α、γ取值越大,多数量图像数据样本类别和类内简单图像数据样本的权重降低速率越快;
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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