4.5.10 分类项-对组排异损失（N-Pair Loss）

迭代公式：

$${\displaystyle \begin{aligned} Dn_i &= \sqrt{|| negative_i - y_i||^2} \\ Dp_i &= \sqrt{|| positive_i \ - y_i||^2} \\ Loss &= \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} log[m+ \sum_{j\neq i} exp( Dp_i - Dn_i)] \\ &= \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} \sum_{j\neq i} log[m+ exp(Dp_i - Dn_i)] \\ \end{aligned} }$$

图像：

图 4-34 N-Pair Loss 函数图[16]

特性：

1. 使具有相同标签的样本（positive）之间的距离，尽量接近

2. 使具有不同标签的样本（negative）之间的距离，尽量远离

3. 输入 N+1 个子集：1 个相似正样本集、N-1 个相反负样本集、1 个原样本对照集

4. 同三元组损失一样，输入样本集，都在同权重下并行训练

5. 以 $m$ 项代表二维平面上多角度排斥最小力矩，一般 $m = 1$ 防止样本过近重合
6. 越接近目标，损失越小

7. 光滑（smooth），适合优化算法

8. 非指数计算，算力消耗相对较低

对组排异损失（N-Pair Loss） 的提出，旨在解决 对比损失（Contrastive Loss） 和 三元组损失（Triplet Loss） 在分类上的局限性问题 [16] 。这两者，从物理学受力角度分析权重促成的样本聚集，会发现都是一维运动过程。

N-Pair Loss 的使用

N-Pair Loss 在每一次计算中，采用了 同样本集（Positive Set） 和 负样本类集（Negative Classes Set） 的概念。类集中的每一个负样本，都会对预测结果产生排斥，而单一的正样本则会对预测结果产生吸引。这样就能够更好地实现同类型聚集效果。一个比较适当的例子，就像一滴油散到了水中，最终会被水排斥而聚成一个集合的油滴。

实际上，基克·索恩（Kihyuk Sohn） 在对组排异损失的推导过程中，详细描述了从 Triplet Loss -> (N+1)-Tuplet Loss -> N-Pair Loss 的完整过程。其中，(N+1)-Tuplet Loss 可认为是 N-Pair Loss 的过渡。

文中指出，当 N = 2 时，(N+1)-Tuplet Loss 可认为近似于 Triplet Loss。以此为起点，我们很快便会发现，对组排异损失 相当于将 三元组损失中 一组 相似正样本集（Positives） 、 一组 相反负样本集（Negatives） 、 一组 原样本对照集（Anchors） 总共三组之间，两两样本集间样本的距离均值计算，改换成了 一组 相似正样本集（Positives） 、 多组 相反负样本集（Negatives） 、 一组 原样本对照集（Anchors） 总共 N+1 组之间的距离计算。

即，相较于三元组损失，进一步细化了 相反负样本集（Negatives）内，不同标签的对正样本集的驱动作用。

同样以人脸识别（FD [Face Detection]）为例，由 $P$ 位不同人的 $D$ 张该人不同脸的图片样本组成的，样本总量 $P \cdot D$ 大小的数据集。

对组排异损失要求，也是三种样本分类子集分类：

• 相似正样本集（Positives），由同人不同脸组成的 $D -1$ 大小子集
• 相反负样本集（Negatives），由不同人不同脸组成的 $P - 1$ 组各 $D - 1$ 大小子集
• 原样本对照集（Anchors），由不同人同脸（选一校订）组成的 $P$ 大小子集

这三类子集，在数据分批后，会被分为相同批数并组合为一批数据，作为单次迭代输入数据，参与训练。我们仍然采用角标 $[_i]$ 来表示分批，那么有：

$${batch\_size} = (D_i-1) + \sum^{P_i-1}(D_i-1)+P_i = D_iP_i$$

则，在分批数据参与一次批计算后，最终还是会构成同三元组损失类似的 ${batch\_size}$大小的一组嵌入集（Embeddings），被我们用来计算损失函数（Loss）的实际处理对象。

因此，在工程上，我们 只需要更换单次损失的计算公式，就能从三元组损失的迁移至对组排异损失的计算过程。

N-Pair Loss 算子化

利用 C 语言实现对算子的封装，有：

#include <math.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define BATCH_SIZE 10     // Batch_size = Samples_of_Person x Data/Person
#define VECTOR_SIZE 128   // Extract output layer Feature vector's dimissions
#define DEVIDE_SAFE 1e-12 // protect when gridant at 0 will be to lage

// Pairwise Distance Calculation
void pairwise_distance(double embeddings[BATCH_SIZE][VECTOR_SIZE],
                       double distances[BATCH_SIZE][BATCH_SIZE], bool squared) {
  for (int i = 0; i < BATCH_SIZE; i++) {
    for (int j = 0; j < BATCH_SIZE; j++) {
      double dot_product = 0.0;
      double square_norm_i = 0.0;
      double square_norm_j = 0.0;

      for (int k = 0; k < VECTOR_SIZE; k++) {
        dot_product += embeddings[i][k] * embeddings[j][k];
        square_norm_i += embeddings[i][k] * embeddings[i][k];
        square_norm_j += embeddings[j][k] * embeddings[j][k];
      }

      distances[i][j] = square_norm_i - (2.0 * dot_product) + square_norm_j;

      if (!squared) {
        if (distances[i][j] < 0.0) {
          distances[i][j] = 0.0;
        } else {
          distances[i][j] = sqrt(distances[i][j]);
        }
      }
    }
  }
}

// Get N-Pair Mask (Totally same with Triplet Mask)
void get_n_pair_mask(int labels[BATCH_SIZE],
                     bool mask[BATCH_SIZE][BATCH_SIZE][BATCH_SIZE]) {
  for (int i = 0; i < BATCH_SIZE; i++) {
    for (int j = 0; j < BATCH_SIZE; j++) {
      for (int k = 0; k < BATCH_SIZE; k++) {
        // indices_equal
        bool i_not_j = (i != j);
        bool i_not_k = (i != k);
        bool j_not_k = (j != k);
        bool distinct_indices = (i_not_j && i_not_k && j_not_k);

        // label_equal
        bool i_equal_j = (labels[i] == labels[j]);
        bool i_equal_k = (labels[i] == labels[k]);
        bool valid_labels = (i_equal_j && !i_equal_k);

        // mask depends on both
        mask[i][j][k] = (distinct_indices && valid_labels);
      }
    }
  }
}

// Batch All N-Pair Loss
double n_pair_loss(int labels[BATCH_SIZE],
                   double embeddings[BATCH_SIZE][VECTOR_SIZE], double margin,
                   bool squared, double *fraction_positives) {

  // So, this only caused once per epoch for certain storage space
  double pairwise_distances[BATCH_SIZE][BATCH_SIZE];
  bool n_paired_avail_masks[BATCH_SIZE][BATCH_SIZE][BATCH_SIZE];

  // Pairwise distance calculation
  pairwise_distance(embeddings, pairwise_distances, squared);

  // Get n_pair mask
  get_n_pair_mask(labels, n_paired_avail_masks);

  // n_pair loss calculation
  int num_positive = 0;
  int num_validate = 0;
  double n_pair_cost = 0.0;
  {
    for (int i = 0; i < BATCH_SIZE; i++) { // i for Anchor
      double n_pair_loss = 0.0;
      for (int j = 0; j < BATCH_SIZE; j++) {   // j for positive
        for (int k = 0; k < BATCH_SIZE; k++) { // k for negative
          double current_mask = n_paired_avail_masks[i][j][k];
          double current_loss = current_mask * exp(pairwise_distances[i][j] -
                                                   pairwise_distances[i][k]);
          n_pair_loss += current_loss;

          // Calculate number of positive n_pairs and valid n_pairs
          if (current_loss > margin) {
            num_positive++;
          }
          if (current_mask > 0) {
            num_validate++;
          }
        }
      }
      n_pair_cost += log(margin + n_pair_loss);
    }
  }
  // Calculate fraction of positive n_pairs
  *fraction_positives =
      (double)num_positive / ((double)num_validate + DEVIDE_SAFE);
  return n_pair_cost / (double)(num_positive + DEVIDE_SAFE);
}

int main() {
  // Example input (fulfill to BATCH_SIZE x VECTOR_SIZE)
  // Use Random labels and embeddings for testing
  // Use three classes as different type, to generate labels
  int type = 3;
  int labels[BATCH_SIZE];
  double embeddings[BATCH_SIZE][VECTOR_SIZE];
  for (int i = 0; i < BATCH_SIZE; i++) {
    labels[i] = rand() % type;
    for (int j = 0; j < VECTOR_SIZE; j++) {
      embeddings[i][j] = (double)rand() / (double)RAND_MAX;
    }
  }

  double margin = 1.0;
  double fraction_positives = 0.0;
  double n_pair_cost_value =
      n_pair_loss(labels, embeddings, margin, false, &fraction_positives);
  printf("The n_pair loss is %f with positives %f \n", n_pair_cost_value,
         fraction_positives);
  return 0;
}

运行验证可得到结果：

The n_pair loss is 0.408567 with positives 0.377907 

对组排异损失从样本宏观角度，统一了正负样本概念。指明了，非当前指向类的负样本，可以被认为是指向负样本类型情况的正样本。因此，对于 N 分类处理过程，整个运算损失计算时间复杂度被化简为仅有 2N。相当的高效。