图像数据不平衡问题

图像数据不平衡：在进行图像分割时，二分类问题中，背景过大，前景过小；多分类问题中，某一类别的物体体积过小。在很多图像数据的时候都会遇到这个情况，尤其是在医学图像处理的时候，例如分割官腔轮廓、识别肿瘤、识别斑块等等。

图像数据不平衡会产生的问题：占据绝大多数的类别会支配模型的训练过程，导致模型只需要把占比大的类别分准损失就收敛了，占比小的类别反而分的很差，而我们很多时候需要分准的其实是占比小的类别。

这个问题的产生也和交叉熵损失函数有关。

交叉熵损失函数：通常进行图像分割的时候都会使用交叉熵损失函数，交叉熵的特点就是“平等”地看待每一个样本，无论什么类别权重都是一样的。所以当正负样本不均衡时，大量简单的负样本会占据主导地位，少量的难样本和正样本就会分不出来。

Dice Loss

公式

之前在介绍深度学习指标的时候，提到过Dice。

Dice可以计算集合的相似程度，取值范围在[0,1]，公式如下所示：
$$Dice(X,Y)=\frac{2\ast |X\cap Y|}{|X|+|Y|}$$

Dice Loss表达式：
$$1-Dice(X,Y)=1-\frac{2\ast |X\cap Y|}{|X|+|Y|}$$

为什么能解决图像数据不平衡问题

进行图像二分类问题的时候，X看作是Label（标签）像素点值集合，Y看作是Prediction（预测）像素点值集合，将前景真实值设为1，背景真实值设为0。这样在计算Dice的时候，求X和Y交集和并集就会把真实值为0的背景过滤掉，相当于做了个mask（掩码）操作，从而使得训练更关注我们要前景。

使用注意

在实际使用的时候，损失函数并不会单纯使用Dice Loss，通常都会和其他Loss结合起来用，会给其他Loss和Dice Loss分别上不同的权重作为损失函数。

为什么不只简单Dice Loss：在训练模型的时候，我们通常都是要把模型训练到损失收敛才停下。而Dice Loss本身并不稳定，Dice Loss是mask了背景的，在前景目标很小的情况下，一旦有少部分分类错误，就会导致Dice Loss产生严重的震荡。而且背景预测不正确，但是前景都预测涵盖了，会导致Loss也非常低，但实际上预测的并不对。