4.5.8 分类项-对比损失（Contrastive Loss）

迭代公式：

$${\displaystyle \begin{aligned} D_i &= | prediction_i| \\ Loss &= \frac{1}{N} \sum_{i=1}^N(y_i \cdot D_i^2 + (1 - y_i) \cdot max(0,\ m - D_i)^2) \\ \end{aligned} }$$

图像（蓝线 Pred，红线 True）：

图 4-32 Contrastive Loss 函数图[14]

特性：

1. 基于投影平面角度，降维分离样本类型

2. $m$ 项代表被认为相似的确认半径

3. 样本相似则 $y_i = 1$ ，样本不相似则 $y_i = 0$

4. 增大类间差异并且减小类内差异，损失函数值最小时，两者达到均衡点

5. 当样本不相似时，预测距离在 $D_w < m$ 的范围内，模型会试图增大不相似样本点之间的距离

6. 越接近样本情况，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

对比损失（Contrastive Loss） 函数是在 2006 年，由 R.Hadsell、S.Chopra、Y.LeCun 在论文《通过学习不变映射进行降维运算》[14] 中 ，提出的一种用来解决样本集中数据聚集过于密集，而导致的 退化解（Degenerate Solutions） 问题。

这种通过降维来寻找合适投影角度，来得到比较优秀的分离聚类的分类损失函数的想法，首次经过合理的论证，并进入广泛大众的视野。为后续 Triplet Loss、N-pair Loss 等，类似的通过分离特性来进行处理的损失函数，打下了基础。

对比损失中，输入的 $y_i$ 指的是选取样本点 $S_i$ 和某个类型标签的接近程度。 同理， $prediction_i$ 则是模型预测的该样本 $S_i$ 距离指定类型标签的结果。

为什么将之前通用的样本的类型概率数据，转为距离描述呢？这是因为，对比损失是通过 确认半径（Margin） 来得到优化的。对比损失函数结果越小，越认为当前权重所对应训练结果越接近实际情况。而方法对于预测距离小于确认半径的数据，取用 $max(0,\ m - D_i)^2$ 拉高了损失函数的结果，达到淘汰分类的效果。

Contrastive Loss 算子化

利用 C 语言实现对算子的封装，有：

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

double contrastive_loss(double *y_true, double *y_pred, int size, double margin) {
  double sum = 0;
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    double distance = y_pred[i];
    sum += y_true[i] * pow(distance, 2) +
           (1 - y_true[i]) * pow(fmax(0, margin - distance), 2);
  }
  return sum / size;
}

int main() {
  int size = 3;
  double y_true[] = {0.5, 0.75, 1.0}; // single sample base 'cat' 'puppy' 'dog'
  double y_pred[] = {0.6, 0.8, 0.9};  // single sample pred 'cat' 'puppy' 'dog'
  // int num_classes = 3;
  double margin = 0.2;
  double loss_value = contrastive_loss(y_true, y_pred, size, margin);
  printf("The contrastive loss is %f\n", loss_value);
  return 0;
}

运行验证可得到结果：

The contrastive loss is 0.1250000