目标检测定位损失函数：Smooth L1 loss 、IOU loss及其变体

Smooth L1 Loss

概述

Smooth L1 Loss（平滑 L1 损失），是一个在回归任务，特别是计算机视觉中的目标检测领域（如 Faster R-CNN, SSD）非常核心的损失函数。

$x$ 表示模型的预测值，$y$ 表示真实值，$z=x-y$ 表示预测值与真实值之间的差异。常用的 L1 loss、L2 Loss 和 smooth L1 loss 定义分别为
L1 loss（MAE）：
$$L_{L1}(x,y)=|x-y|=|z|$$
L2 loss（MSE）：
$$L_{L2}(x,y)=0.5(x-y{)}^2=0.5z^2$$
Smooth L1 Loss：
$$L_{smoothL1}(x,y)=\{\begin{array}{ll}0.5(x-y{)}^2=0.5z^2,& \text{if }|x-y|<1\\ |x-y|-0.5=|z|-0.5,& \text{otherwise}\end{array}$$
函数坐标图如下：横轴为z，纵坐标为损失loss

• L1 loss 在零点处不可导（梯度不连续），且收敛速度较慢。L1 loss 对 $z$的导数为常数，在训练后期，误差值$z$很小时，如果 learning rate 不变，损失函数会在稳定值附近波动，很难收敛到更高的精度。
• L2 loss 当预测值与真实值差距很大时，由于平方项的存在，损失值会变得非常大，梯度也很大，容易导致训练不稳定（梯度爆炸）
• Smooth L1 Loss 的设计目的就是为了避开了 L1 loss 和 L2 loss 的缺点。它在误差较小的区域使用像 L2 loss这样的二次函数，保证梯度平滑且逐渐减小；而在误差较大的区域使用像 L1 loss这样的线性函数，限制梯度的大小，从而对异常值不那么敏感。

Smooth L1 Loss 的梯度函数是：
$$\frac{d}{dz}smoothL1=\{\begin{array}{ll}z,& \text{if }|z|<1\\ +1或-1,& \text{otherwise}\end{array}$$

• 小误差$|z|<1$时，即当预测值接近真实值时，梯度很小，参数更新幅度小，有利于模型收敛和精细化。且梯度是连续变化的，训练过程非常稳定。
• 大误差$|z|\ge 1$时，即使预测结果非常离谱，梯度也不会爆炸（不会像L2 loss那样变化巨大），避免了因个别异常样本而导致训练过程剧烈波动，增强了训练的鲁棒性。

目标检测中的应用

在目标检测中，网络需要预测目标边界框（Bounding Box）的精确坐标（中心点 x, y，宽 w, 高 h）。这是一个典型的回归任务。

• 如果使用 L2 Loss，当某个坐标的预测初值离真实值很远时，会产生巨大的损失和梯度，这会主导整个训练过程，使得模型难以收敛到好的结果。
• Smooth L1 Loss 对初值不准的预测框更加宽容，提供了稳定且有限的梯度，使得模型能够逐步修正框的位置，而不是被异常值带偏。Faster R-CNN 和 SSD 等经典模型都使用了 Smooth L1 Loss 作为边界框回归的损失函数。

Smooth L1 Loss 完美地权衡了训练的稳定性（对抗异常值）和收敛的有效性（小误差时梯度精细），使其成为需要高精度回归任务（如目标检测）的理想选择。

函数接口

在 PyTorch 中，Smooth L1 Loss 通过 nn.SmoothL1Loss 类实现

torch.nn.SmoothL1Loss(size_average=None,reduce=None,reduction='mean',beta=1.0
)

• reduction (str, optional): 指定损失的聚合方式，可选 ‘none’、‘mean’（默认值）或 ‘sum’。
• beta (float, optional): 一个超参数，指定从二次函数切换到线性函数的阈值。默认值为 1.0，即上面公式中的切换点。修改 beta 可以调整损失函数对“大误差”和“小误差”的定义。

import torch
import torch.nn as nn# 创建损失函数
# reduction='mean'：计算所有元素损失的平均值
smooth_l1_loss = nn.SmoothL1Loss(reduction='mean')# 假设预测值和真实值
# 例如：预测了4个边界框的偏移量
predictions = torch.tensor([1.6, 0.2, -2.0, 0.8])
targets = torch.tensor([1.0, 0.0, -1.0, 1.0])# 计算损失
loss = smooth_l1_loss(predictions, targets)
print(loss)# 手动计算验证：
# x = predictions - targets = [0.6, 0.2, -1.0, -0.2]
# |x| = [0.6, 0.2, -1.0, 0.2] -> 全部小于beta(1.0)，所以都用 0.5*x^2
# loss = (0.5*0.6^2 + 0.5*0.2^2 + 0.5*(-1.0)^2 + 0.5*(-0.2)^2) / 4
#      = (0.18 + 0.02 + 0.5 + 0.02) / 4
#      = 0.72 / 4 = 0.18

IOU loss

概述

在目标检测中，最常用的评估模型好坏的指标就是 IOU。它衡量的是预测边界框（Bounding Box）与真实边界框之间的重叠程度。

传统的L1 loss，L2 loss，Smooth L1 loss存在如下问题：

• 通过优化边界框的坐标（x, y, w, h）来间接优化IOU，但坐标误差最小并不总是等同于 IOU 最大化，这样就导致了不一致性。
• 通过4个点回归坐标框的方式是假设 4个坐标点是相互独立的，没有考虑其相关性，而实际上 4个坐标点具有一定的相关性。
• 基于 L1 和 L2 距离的 loss 不具有尺度不变性

IOU Loss 的解决方案：既然最终评估标准是 IOU，那就直接使用 IOU 作为损失函数来指导模型的优化方向。使模型的训练目标（损失最小化）
和最终的评估目标（IOU 最大化） 实现统一。

IOU loss的计算

对于两个区域（通常是预测框 B_pred 和真实框 B_gt）
IOU计算如下：
$$\text{IOU}=\frac{\text{Area of Overlap}}{\text{Area of Union}}=\frac{B_{pred}\cap B_{gt}}{B_{pred}\cup B_{gt}}$$

IOU 的取值范围是 [0, 1]：1表示两个框完全重合；0表示两个框没有交集

IOU loss 就是将IOU 转化为损失。损失越低越好，IOU越高越好，所以IOU loss如下计算：
$${\mathcal{L}}_{IOU}=1-IOU$$

IOU = 1（完美预测）时，损失为 0。IOU = 0（毫无交集）时，损失为 1

优点：

• 尺度不变性：IOU 是一个比值，它只关心重叠区域的比例，而不关心框的绝对大小。这意味着它对大小不同的目标物是公平的。
• 与评估指标一致：直接优化 IOU 使得模型训练过程更直接地对最终的评价指标负责。

缺点：

• 最核心问题是无法处理不相交的情况。如果两个框没有交集，则 IOU = 0，损失恒为 1。此时梯度为 0，无法为模型提供如何移动预测框以与真实框相交的梯度信息，导致模型无法学习。
• 无法区分不同方式的重合不良。$IOU$值不能反映两个框是如何相交的，即使两个框的 $IOU$值是相同的，其相交方式也可能很不一样。只要 IOU 相同，损失就是相同的。

def calculate_iou(box1, box2):"""计算两个框的IoUArgs:box1: (tensor) [x1, y1, x2, y2]box2: (tensor) [x1, y1, x2, y2]Returns:iou: (tensor) scalar"""# 计算交集区域的坐标x1 = torch.max(box1[0], box2[0])y1 = torch.max(box1[1], box2[1])x2 = torch.min(box1[2], box2[2])y2 = torch.min(box1[3], box2[3])# 计算交集面积intersection_area = torch.clamp(x2 - x1, min=0) * torch.clamp(y2 - y1, min=0)# 计算各自面积box1_area = (box1[2] - box1[0]) * (box1[3] - box1[1])box2_area = (box2[2] - box2[0]) * (box2[3] - box2[1])# 计算并集面积union_area = box1_area + box2_area - intersection_area# 避免除零iou = intersection_area / (union_area + 1e-6)return ioudef iou_loss(pred_boxes, target_boxes):"""计算IoU LossArgs:pred_boxes: (tensor) [N, 4] (x1, y1, x2, y2)target_boxes: (tensor) [N, 4] (x1, y1, x2, y2)Returns:loss: (tensor) scalar"""ious = torch.stack([calculate_iou(pred, tgt) for pred, tgt in zip(pred_boxes, target_boxes)])loss = 1 - iousreturn loss.mean() # 使用mean reduction# 使用示例
preds = torch.tensor([[100, 100, 200, 200], [50, 50, 150, 150]], dtype=torch.float32)
targets = torch.tensor([[110, 110, 210, 210], [60, 60, 160, 160]], dtype=torch.float32)loss = iou_loss(preds, targets)
print(f"IoU Loss: {loss}")

IOU loss的变体

为解决IOU loss 的缺陷，在原始IOU 基础上提出了一系列先进的变体。如GIOU，DIOU，CIOU等等。

通常以IOU为基础的变体IOU loss可以定义为
$$L=1-IoU+R(B,B_{gt})$$
其中：

• $B$ ： 表示预测框
• $B_{gt}$ ：表示目标框
• $R(B,B_{gt})$ ： 表示预测框 $B$ 和 目标框 $B_{gt}$ 的惩罚项

GIOU loss

即使两个框不相交，也需要提供一个梯度方向。GIOU 在 IOU 的基础上引入了一个最小封闭矩形框 C（能够同时包含预测框和真实框的最小矩形）,它不仅考虑了边界框之间的重叠程度，还考虑了bboxes 之间的位置和尺寸。
$$GIoU=IoU-\frac{C-(A\cup B)}{|C|}$$ ，其中，C 是 A 和 B 的外接矩形框面积
$$GIoULoss=1-GIoU$$ ，
即 ：
$$L_{GIoU}=1-IoU+\frac{C-(A\cup B)}{|C|}$$

其中：
$0\le =IoU<=1$
$0<=\frac{C-(A\cup B)}{C}<1$

• 当 A 和 B 完全重合时：
  $IoU=1，\frac{C-(A\cup B)}{C}=0$ $\to$ $GIoU=1，GIoU\_Loss=0$
• 当 A，B 完全不重叠时（ A，B 距离无穷远的时候）：
  $IoU=0，\frac{C-(A\cup B)}{C}趋近于1$ $\to$ $GIoU=-1，GIoU\_Loss=2$

优点：
解决了不相交时梯度为 0 的问题。即使不相交，模型也会学习朝着最小封闭框 C 的中心移动预测框，以减小附加项，从而促使两个框先发生交集。
GIOU 是 IOU 的一个下界，$\text{GIOU}\le \text{IOU}$。
缺点：
当两个框包含（如一个框在另一个框内部）时，GIOU 会退化成 IOU，此时提供的移动方向仍然比较模糊。

DIOU loss

DIOU loss 直接最小化两个框中心点之间的距离。这样可以为模型的优化提供一个非常明确且高效的方向。
DIOU loss的计算公式如下：
$$L_{DIoU}=1-IoU+\frac{{\rho }^2(b,b_{gt})}{c^2}$$
其中：
$\rho (b,b_{gt})$ 表示预测框与真实框中心点之间的欧式距离。
$b,b_{gt}$ 分别表示预测框的中心点，真实框的中心点。
$c$ 表示真实框与预测框的最小外接矩形框的对角线长度。

优点：

• 具有尺度不变性 : 由于$\frac{{\rho }^2(b,b_{gt})}{c^2}$是一个相对度量，不直接依赖于框的具体宽度和高度，所以在不同尺度下仍能保持一致的度量标准，这种尺度不变性有助于提高检测的准确性和鲁棒性。
• 当两个框完全重合时，$L_{IoU}=L_{GIoU}=L_{DIoU}=0$
• 当两个框不相交时，DIoU Loss 可以直接优化 2个框之间的距离，比 GIoU Loss 收敛速度更快
• 对于两个框包含的情况，DIoU Loss 可以收敛的很快，而 GIoU Loss此时退化为IoU Loss收敛速度较慢

缺点：
DIoU 能够直接最小化预测框和真实框的中心点距离加速收敛，但是未考虑到高宽比。
如下图所示：红色为预测框，蓝色为真实框。三个红框的面积相同，红框与蓝框中心点重合，但是红框的长宽比不一样，三种情况下的DIoU相同，但显然中间的更拟合真实框。

CIOU loss

由于DIOU loss忽略了宽高比的一致性，CIoU 在 DIoU 的基础上增加了一个惩罚项，同时考虑重叠面积、中心点距离和宽高比。
$$L_{CIoU}=1-IoU+\frac{{\rho }^2(b,b_{gt})}{c^2}+\alpha v$$
其中：
$v$ 衡量长宽比一致性的参数 ： $v=\frac{4}{{\pi }^2}(arctan\frac{w_{gt}}{h_{gt}}-arctan\frac{w}{h}{)}^2$。
$\alpha$ 是权重平衡因子，调整长宽比的影响 ： $\alpha =\frac{v}{(1-IoU)+v}$。

优点：
考虑影响因素相对全面，考虑到了定位损失的三个重要的因素 : 重叠面积、中心点距离、高宽比。

缺点：
$\alpha v$这一项的设计，导致拖累了收敛速度。

• $v$ 仅反映了高宽比的差异性，高宽比一致则$v=0$，这样的设计存在缺陷。 比如真实框的 $w_{gt}=8,h_{gt}=4，\frac{w_{gt}}{h_{gt}}=2$ ，而预测出的 $w=6,h=3,\frac{w}{h}=2$ ，此时$v=0$
• $v$只反映了高宽比的差异，并没有分别反映出 $w_{gt}$和 $w$ 之间的关系，以及 $h_{gt}$ 和 $h$ 之间的关系，这导致其收敛方向不够明确，CIOU损失可能会向不合理的方向优化。
• $v$对 $w$ 和 $h$ 的偏导数分别如下 ：
  $$\frac{\partial v}{\partial w}=\frac{8}{{\pi }^2}(arctan\frac{w_{gt}}{h_{gt}}-arctan\frac{w}{h})\ast \frac{h}{w^2+h^2}$$
  $$\frac{\partial v}{\partial h}=-\frac{8}{{\pi }^2}(arctan\frac{w_{gt}}{h_{gt}}-arctan\frac{w}{h})\ast \frac{w}{w^2+h^2}$$
  由2个偏导数，可以得出 ： $$\frac{\partial v}{\partial w}=-\frac{h}{w}\cdot \frac{\partial v}{\partial h}$$ ，
  $\frac{\partial v}{\partial w}$ 和 $\frac{\partial v}{\partial h}$ 的符号是相反的，只要 $w$ 和 $h$ 其中一个的值增加，另一个就会减小，即宽高是相互耦合的。当$w<w^{gt}且h<h^{gt}$时或者 $w>w^{gt}且h>h^{gt}$ 时可能无法快速收敛。

EIOU loss

EIoU Loss 将 CIoU 中的宽高比损失项 $v$ 解耦，直接拆分为分别针对宽度和高度的损失。
$$\begin{array}{rl}{L}_{EIoU}& =L_{IoU}+L_{dis}+L_{asp}\\ & \\ & =1-IoU+\frac{{\rho }^2(b,b_{gt})}{(w_c{)}^2+(h_c{)}^2}+\frac{{\rho }^2(w,w_{gt})}{(w_c{)}^2}+\frac{{\rho }^2(h,h_{gt})}{(h_c{)}^2}\end{array}$$
其中：

• $b$ 和 $b_{gt}$ ：分别表示预测框的中心点和真实框的中心点
• $\rho (b,b_{gt})$：表示真实框与预测框中心点之间的欧式距离
• $w_c$ 和 $h_c$：分别表示最小外接矩形框的宽度和高度

优点:

• 更直接的收敛目标：直接最小化宽度和高度的差异，为模型提供了更清晰、更直接的优化方向。
• 更快的收敛速度：由于梯度计算更直接，EIoU 通常比 CIoU 收敛得更快。
• 更高的定位精度：在许多基准测试中，EIoU 都展现出了比 CIoU 更优的边界框回归精度。

Focal-EIoU loss

Focal-EIoU Loss 的思想源于 Focal Loss（最初用于解决分类中的类别不平衡问题）。在目标检测中，也存在“样本不平衡”问题：简单样本（IOU 高的样本）和困难样本（IOU 低的样本）的数量不平衡。

问题：在一个训练批次中，大部分边界框回归样本是“简单”的（即 IoU 已经较高），只有少数是“困难”的（IoU 低）。标准的 IoU 损失对所有这些样本一视同仁，导致简单样本的损失贡献主导了总损失，模型难以集中精力去学习那些困难的、回归得不好的样本。
思路：借鉴 Focal Loss 的思路，降低简单样本的权重，让损失函数更加关注难以回归的样本。
Focal-EIoU Loss 在 EIoU Loss 的基础上增加了一个聚焦系数
$$L_{Focal-EIoU}=Io{U}^{\gamma }\cdot L_{EIoU}$$

其中：
$L_{EIoU}$：计算的 EIoU 损失。
$\gamma$：聚焦参数（通常 $\gamma >0$），用于调节权重衰减的速率。
$Io{U}^{\gamma }$：聚焦因子，$IoU$ 的值在 [0, 1] 之间。

工作机制

• 对于一个困难样本（IoU → 0）：$Io{U}^{\gamma }\approx 0$，但 $L_{EIoU}$ 很大（接近 1）。最终的损失 $L_{Focal-EIoU}$ 仍然很大，模型会重点关注这个样本。
• 对于一个简单样本（IoU → 1）：$Io{U}^{\gamma }\approx 1$，但 $L_{EIoU}$ 很小（接近 0）。最终的损失 $L_{Focal-EIOU}$ 会变得更小，从而降低了简单样本在总损失中的权重。

优点:

• 解决回归样本不平衡：显著提升模型对困难样本的回归能力。
• 进一步提升性能：在 EIOU 的基础上，通常能获得更高的检测精度（mAP）。
• 即插即用：Focal 的思想可以迁移到其他 IOU 变体（如 Focal-CIOU）进行结合使用。