本文旨在详细阐述如何将Vision Transformer（ViT）从单标签多分类任务转换为多标签分类任务，并重点介绍损失函数的选择与评估策略的调整。我们将探讨为何`CrossEntropyLoss`不适用于多标签场景，并深入讲解`BCEWithLogitsLoss`的使用方法，包括标签格式要求。此外，文章还将介绍多标签分类任务中常用的评估指标，如精确率、召回率、F1分数和mAP，并提供代码示例，确保读者能够顺利实现ViT在多标签环境下的训练与评估。
从单标签到多标签：核心概念转变
在深度学习的图像分类任务中，单标签多分类（Single-label Multi-class Classification）是指每张图片只属于一个类别，模型需要从多个互斥的类别中预测出唯一正确的那个。而多标签分类（Multi-label Classification）则允许每张图片同时属于一个或多个类别，模型需要为每个类别独立地判断其是否存在于图片中。
这种任务性质的转变，要求我们对模型的输出层、损失函数以及评估策略进行相应的调整。对于Vision Transformer（ViT）而言，其特征提取部分通常保持不变，但最终的分类头和训练流程需要进行适配。
损失函数的选择与实现
在单标签多分类任务中，我们通常使用torch.nn.CrossEntropyLoss作为损失函数。它内部包含了Softmax激活函数和负对数似然损失，期望模型的输出是每个类别的Logits，并且这些Logits经过Softmax后会转化为概率分布，所有类别的概率和为1。
然而，在多标签分类任务中，由于图片可能同时属于多个类别，各个类别之间不再是互斥关系。因此，CrossEntropyLoss不再适用，因为它强制了类别之间的互斥性。
推荐的损失函数：torch.nn.BCEWithLogitsLoss
对于多标签分类任务，最常用且推荐的损失函数是torch.nn.BCEWithLogitsLoss。这个损失函数结合了Sigmoid激活函数和二元交叉熵损失（Binary Cross Entropy Loss）。
其主要优点包括：
- 独立处理每个类别： BCEWithLogitsLoss会对模型输出的每个Logit独立地计算二元交叉熵，这与多标签任务中各类别独立存在的特性相符。
- 数值稳定性： 它直接作用于模型的原始Logits输出，内部处理了Sigmoid激活，避免了先手动计算Sigmoid再计算交叉熵可能导致的数值溢出或下溢问题。
使用BCEWithLogitsLoss的注意事项：
- 模型输出： 模型的最终输出层应该是一个全连接层，输出维度等于类别的总数，且不应在其后接Softmax激活函数。例如，如果你的模型有7个类别，最终输出应为形状(batch_size, 7)的Logits张量。
- 标签格式： 标签（target）必须是与模型输出Logits形状相同的浮点型（torch.float）张量。它通常是一个“多热编码”（multi-hot encoding）向量，其中1表示该类别存在，0表示该类别不存在。例如，[0, 1, 1, 0, 0, 1, 0]表示第二个、第三个和第六个类别存在。
代码示例：替换损失函数
假设我们有一个ViT模型，其输出为pred（Logits），标签为labels（多热编码）。
import torch
import torch.nn as nn
# 假设模型输出的Logits，形状为 (batch_size, num_classes)
# 这里以 batch_size = 2, num_classes = 7 为例
logits = torch.randn(2, 7) # 模拟模型输出的原始Logits
# 假设对应的多标签，形状也为 (batch_size, num_classes)
# 注意：标签必须是浮点型 (torch.float)
labels = torch.tensor([
[0, 1, 1, 0, 0, 1, 0], # 第一个样本的标签
[1, 0, 1, 1, 0, 0, 0] # 第二个样本的标签
]).float()
# 实例化 BCEWithLogitsLoss
loss_function = nn.BCEWithLogitsLoss()
# 计算损失
loss = loss_function(logits, labels)
print(f"Logits:\n{logits}")
print(f"Labels:\n{labels}")
print(f"Calculated Loss: {loss.item()}")
# 原始训练循环中的应用
# pred = model(images.to(device))
# loss = loss_function(pred, labels.to(device))
# loss.backward()
# optimizer.step()多标签分类的评估策略
在单标签分类中，准确率（Accuracy）是最常用的评估指标。然而，在多标签分类中，仅仅计算准确率是不足够的，甚至可能产生误导。例如，如果一个模型总是预测所有类别都不存在，而实际只有少数类别存在，那么它的准确率可能很高（因为它正确预测了大量不存在的类别），但它对存在类别的识别能力却很差。
因此，我们需要采用更全面的指标来评估多标签分类模型的性能。
1. 从Logits到预测结果
在计算评估指标之前，我们需要将模型的Logits输出转换为具体的类别预测。这通常通过对Logits应用Sigmoid函数，然后设定一个阈值（例如0.5）来完成。
# 假设 logits 是模型输出的Logits
# 例如：logits = torch.randn(batch_size, num_classes)
# 1. 应用Sigmoid函数将Logits转换为概率
probabilities = torch.sigmoid(logits)
# 2. 设定阈值，将概率转换为二元预测 (0或1)
threshold = 0.5
predictions = (probabilities > threshold).float()
print(f"Probabilities:\n{probabilities}")
print(f"Predictions (threshold={threshold}):\n{predictions}")2. 常用评估指标
以下是多标签分类中常用的评估指标：
-
精确率（Precision）、召回率（Recall）、F1分数（F1-score）：
- 精确率： 预测为正例的样本中，有多少是真正的正例。
- 召回率： 实际为正例的样本中，有多少被模型预测为正例。
- F1分数： 精确率和召回率的调和平均值，综合衡量模型的性能。
- 这些指标可以针对每个类别独立计算（Per-class），也可以通过微平均（Micro-average）或宏平均（Macro-average）来汇总所有类别的结果。
- Micro-average： 汇总所有类别的TP、FP、FN后再计算总体的Precision、Recall、F1。它更侧重于样本级别的性能，受样本数量较多的类别影响较大。
- Macro-average： 先计算每个类别的Precision、Recall、F1，然后取这些值的平均。它给予每个类别相同的权重，不受类别样本数量不平衡的影响。
-
平均精确率（Average Precision, AP）与平均精确率均值（mean Average Precision, mAP）：
- AP： 衡量单个类别在不同召回率下的精确率表现，通常通过计算PR曲线下面积获得。AP值越高，说明模型在该类别上的性能越好。
- mAP： 对所有类别的AP值取平均，是衡量多标签分类模型整体性能的一个非常重要的指标，尤其在目标检测等领域广泛使用。
-
Jaccard Index (IoU) / Jaccard Similarity Score：
- 衡量预测集合与真实标签集合的相似度，计算公式为交集大小除以并集大小。对于多标签分类，可以计算每个样本的预测标签集合与真实标签集合的Jaccard相似度，然后取平均。
-
Hamming Loss：
- 衡量预测结果与真实标签不一致的标签比例。Hamming Loss越低越好。
3. 使用torchmetrics或scikit-learn进行评估
在PyTorch生态中，torchmetrics库提供了丰富的多标签评估指标。scikit-learn也是一个非常强大的工具，可以在CPU上方便地进行评估。
torchmetrics示例 (推荐用于PyTorch训练循环中)：
import torch
from torchmetrics.classification import MultilabelF1Score, MultilabelAveragePrecision
# 假设真实标签和预测概率
# num_classes = 7
num_labels = 7
num_samples = 10
target_labels = torch.randint(0, 2, (num_samples, num_labels)).float() # 真实标签 (0或1)
predicted_probs = torch.rand(num_samples, num_labels) # 模型输出的概率 (经过Sigmoid)
# 或者直接使用Logits，让metrics内部处理Sigmoid
predicted_logits = torch.randn(num_samples, num_labels)
# 实例化F1分数，可以指定 average 方式 (e.g., 'micro', 'macro', 'weighted', 'none')
# MultilabelF1Score 期望输入是 (preds, target)
# preds: 概率 (float) 或 原始logits (float)
# target: 真实标签 (int 或 float, 0/1)
f1_score_micro = MultilabelF1Score(num_labels=num_labels, average='micro', validate_args=False)
f1_score_macro = MultilabelF1Score(num_labels=num_labels, average='macro', validate_args=False)
# 计算F1分数
# 注意：MultilabelF1Score 可以直接接收概率或logits，但通常建议给概率
f1_micro_val = f1_score_micro(predicted_probs, target_labels.long()) # target_labels需要是long类型对于F1Score
f1_macro_val = f1_score_macro(predicted_probs, target_labels.long())
print(f"Micro F1 Score: {f1_micro_val.item()}")
print(f"Macro F1 Score: {f1_macro_val.item()}")
# 实例化mAP
# MultilabelAveragePrecision 期望输入是 (preds, target)
# preds: 概率 (float)
# target: 真实标签 (int 或 float, 0/1)
map_metric = MultilabelAveragePrecision(num_labels=num_labels, validate_args=False)
# 计算mAP
map_val = map_metric(predicted_probs, target_labels.long()) # target_labels需要是long类型对于mAP
print(f"mAP: {map_val.item()}")
# 如果输入是logits，可以这样处理 (MultilabelF1Score 和 MultilabelAveragePrecision 默认不带sigmoid，需要手动处理或确保其内部处理了)
# 对于MultilabelF1Score和MultilabelAveragePrecision，当输入是概率时，通常需要手动将target转换为long
# 如果输入是logits，则需要确保metrics内部会执行sigmoid
# 更好的做法是，统一将模型输出转换为概率再传入metrics
probs_from_logits = torch.sigmoid(predicted_logits)
f1_micro_val_logits = f1_score_micro(probs_from_logits, target_labels.long())
map_val_logits = map_metric(probs_from_logits, target_labels.long())
print(f"Micro F1 Score (from logits): {f1_micro_val_logits.item()}")
print(f"mAP (from logits): {map_val_logits.item()}")总结与注意事项
将ViT从单标签多分类转换为多标签分类，关键在于以下几点：
- 模型输出层： 确保模型的最终全连接层输出与类别数量相等的Logits，并且不带Softmax激活。
- 损失函数： 使用torch.nn.BCEWithLogitsLoss作为损失函数，它能独立处理每个类别的预测。
- 标签格式： 真实标签应为多热编码的浮点型张量，形状与模型输出的Logits相同。
- 评估指标： 采用适合多标签任务的评估指标，如Micro/Macro F1分数、mAP、Jaccard Index等，并结合torchmetrics或scikit-learn等库进行高效计算。
- 阈值选择： 在将概率转换为二元预测时，阈值的选择对最终的精确率和召回率有显著影响，可能需要通过验证集进行调优。
- 类别不平衡： 在多标签任务中，类别不平衡问题可能更复杂（例如，某些标签总是同时出现，某些标签非常稀有）。可以考虑使用加权BCE损失、Focal Loss或采样策略来缓解。
通过以上调整，您的Vision Transformer模型将能够有效地处理多标签图像分类任务。
