BERT模型在多类别文本分类时的precision, recall, f1值的计算

Posted 2021-02-07 jiangxinyang

　　BERT预训练模型在诸多NLP任务中都取得最优的结果。在处理文本分类问题时，即可以直接用BERT模型作为文本分类的模型，也可以将BERT模型的最后层输出的结果作为word embedding导入到我们定制的文本分类模型中（如text-CNN等）。总之现在只要你的计算资源能满足，一般问题都可以用BERT来处理，此次针对公司的一个实际项目——一个多类别（61类）的文本分类问题，其就取得了很好的结果。

　　我们此次的任务是一个数据分布极度不平衡的多类别文本分类（有的类别下只有几个或者十几个样本，有的类别下又有几千个样本），在不做不平衡数据处理且不采用BERT模型时，其取得的F1值只有50%，而在不做不平衡数据处理但采用BERT模型时，其F1值能达到65%，但是在用bert模型时获得F1值时却存在一些问题。

　　在tensorflow中只提供了二分类的precision，recall，f1值的计算接口，而bert源代码中的run_classifier.py文件中训练模型，验证模型等都是用的estimator API，这些高层API极大的限制了修改代码的灵活性。好在tensorflow源码中有一个方法可以计算混淆矩阵的方法，并且会返回一个operation。注意：这个和tf.confusion_matrix()不同，具体看源代码中下面这段代码：

        elif mode == tf.estimator.ModeKeys.EVAL:

            def metric_fn(per_example_loss, label_ids, logits, num_labels):
                predictions = tf.argmax(logits, axis=-1, output_type=tf.int32)
                accuracy = tf.metrics.accuracy(
                    labels=label_ids, predictions=predictions)
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　# 这里的metrics时我们定义的一个python文件，在下面会介绍

                conf_mat = metrics.get_metrics_ops(label_ids, predictions, num_labels)

                loss = tf.metrics.mean(values=per_example_loss)
                return {
                    "eval_accuracy": accuracy,
                    "eval_cm": conf_mat,
                    "eval_loss": loss,
                }

　　验证时的性能指标计算都在这个方法里面，而且在return的这个字典中每个值必须是一个tuple。以accuracy为例，tf.metrics.accuracy返回的是一个（accuracy, update_op）这样一个tuple，而我们上一段说的tf.confusion_matrix只返回一个混淆矩阵。因此在这里我们使用一个内部的方法，方法导入如下：

from tensorflow.python.ops.metrics_impl import _streaming_confusion_matrix

这个方法会返回一个（confusion_matrix, update_op）的tuple。我们新建一个metrics.py文件，里面的代码如下：

import numpy as np
import tensorflow as tf
from tensorflow.python.ops.metrics_impl import _streaming_confusion_matrix
    

def get_metrics_ops(labels, predictions, num_labels):
　　# 得到混淆矩阵和update_op，在这里我们需要将生成的混淆矩阵转换成tensor
    cm, op = _streaming_confusion_matrix(labels, predictions, num_labels)
    tf.logging.info(type(cm))
    tf.logging.info(type(op))
    
    return (tf.convert_to_tensor(cm), op)


def get_metrics(conf_mat, num_labels):
　　# 得到numpy类型的混淆矩阵，然后计算precision，recall，f1值。
    precisions = []
    recalls = []
    for i in range(num_labels):
        tp = conf_mat[i][i].sum()
        col_sum = conf_mat[:, i].sum()
        row_sum = conf_mat[i].sum()

        precision = tp / col_sum if col_sum > 0 else 0
        recall = tp / row_sum if row_sum > 0 else 0

        precisions.append(precision)
        recalls.append(recall)

    pre = sum(precisions) / len(precisions)
    rec = sum(recalls) / len(recalls)
    f1 = 2 * pre * rec / (pre + rec)

    return pre, rec, f1

最上面一段代码中return的字典中的值可以在run_classifier.py中main函数中的下面一段代码中得到：

    if FLAGS.do_eval:
        eval_examples = processor.get_dev_examples(FLAGS.data_dir)
        num_actual_eval_examples = len(eval_examples)
        if FLAGS.use_tpu:
            # TPU requires a fixed batch size for all batches, therefore the number
            # of examples must be a multiple of the batch size, or else examples
            # will get dropped. So we pad with fake examples which are ignored
            # later on. These do NOT count towards the metric (all tf.metrics
            # support a per-instance weight, and these get a weight of 0.0).
            while len(eval_examples) % FLAGS.eval_batch_size != 0:
                eval_examples.append(PaddingInputExample())

        eval_file = os.path.join(FLAGS.output_dir, "eval.tf_record")
        file_based_convert_examples_to_features(
            eval_examples, label_list, FLAGS.max_seq_length, tokenizer, eval_file)

        tf.logging.info("***** Running evaluation *****")
        tf.logging.info("  Num examples = %d (%d actual, %d padding)",
                        len(eval_examples), num_actual_eval_examples,
                        len(eval_examples) - num_actual_eval_examples)
        tf.logging.info("  Batch size = %d", FLAGS.eval_batch_size)

        # This tells the estimator to run through the entire set.
        eval_steps = None
        # However, if running eval on the TPU, you will need to specify the
        # number of steps.
        if FLAGS.use_tpu:
            assert len(eval_examples) % FLAGS.eval_batch_size == 0
            eval_steps = int(len(eval_examples) // FLAGS.eval_batch_size)

        eval_drop_remainder = True if FLAGS.use_tpu else False
        eval_input_fn = file_based_input_fn_builder(
            input_file=eval_file,
            seq_length=FLAGS.max_seq_length,
            is_training=False,
            drop_remainder=eval_drop_remainder)

　　　　　# result中就是return返回的字典
        result = estimator.evaluate(input_fn=eval_input_fn, steps=eval_steps)

        output_eval_file = os.path.join(FLAGS.output_dir, "eval_results.txt")
        with tf.gfile.GFile(output_eval_file, "w") as writer:
            tf.logging.info("***** Eval results *****")
　　　　　　　
　　　　　　　# 我们可以拿到混淆矩阵（现在时numpy的形式），调用metrics.py文件中的方法来得到precision，recall，f1值
            pre, rec, f1 = metrics.get_metrics(result["eval_cm"], len(label_list))
            tf.logging.info("eval_precision: {}".format(pre))
            tf.logging.info("eval_recall: {}".format(rec))
            tf.logging.info("eval_f1: {}".format(f1))
            tf.logging.info("eval_accuracy: {}".format(result["eval_accuracy"]))
            tf.logging.info("eval_loss: {}".format(result["eval_loss"]))

            np.save("conf_mat.npy", result["eval_cm"])

通过上面的代码拿到混淆矩阵后，调用metrics.py文件中的get_metrics方法就可以得到precision，recall，f1值。