分类和目标检测的性能评价指标

Posted 2022-12-18 silence-cho

　　对于深度学习的网络模型，希望其速度快，内存小，精度高。因此需要量化指标来评价这些性能，常用的指标有：mAP（平均准确度均值，精度指标）， FPS（每秒处理的图片数量或每张图片处理需要时间，同样硬件条件下的速度指标） ， 模型参数大小（内存大小指标）。

1.mAP (mean Avearage Precision)

　　　　mAP指的是各类别的AP平均值，而AP指PR曲线的面积（precision和Recall关系曲线），因此得先了解下precision（精确率）和recall（召回率），以及相关的accuracy（准确度）, F-measurement（F值）, ROC曲线等。

　　recall和precision是二分类问题中常用的评价指标，通常以关注的类为正类，其他类为负类，分类器的结果在测试数据上有4种情况：

 

 

 

 　　Precision和Recall计算举例：

　　　　假设我们在数据集上训练了一个识别猫咪的模型，测试集包含100个样本，其中猫咪60张，另外40张为小狗。测试结果显示为猫咪的一共有52张图片，其中确实为猫咪的共50张，也就是有10张猫咪没有被模型检测出来，而且在检测结果中有2张为误检。因为猫咪更可爱，我们更关注猫咪的检测情况，所以这里将猫咪认为是正类：所以TP=50，TN=38，FN=10，FP=2，P=50/52，R=50/60，acc=(50+38)/(50+38+10+2)

　　为什么引入Precision和Recall:

　　　　recall和precision是模型性能两个不同维度的度量：在图像分类任务中，虽然很多时候考察的是accuracy，比如ImageNet的评价标准。但具体到单个类别，如果recall比较高，但precision较低，比如大部分的汽车都被识别出来了，但把很多卡车也误识别为了汽车，这时候对应一个原因。如果recall较低，precision较高，比如检测出的飞机结果很准确，但是有很多的飞机没有被识别出来，这时候又有一个原因.

　　　　recall度量的是「查全率」，所有的正样本是不是都被检测出来了。比如在肿瘤预测场景中，要求模型有更高的recall，不能放过每一个肿瘤。

　　　　precision度量的是「查准率」，在所有检测出的正样本中是不是实际都为正样本。比如在垃圾邮件判断等场景中，要求有更高的precision，确保放到回收站的都是垃圾邮件。

　　F-score/F-measurement:

　　　　上面分析发现，精确率和召回率反映了分类器性能的两个方面，单一依靠某个指标并不能较为全面地评价一个分类器的性能。一般情况下，精确率越高，召回率越低；反之，召回率越高，精确率越低。为了平衡精确率和召回率的影响，较为全面地评价一个分类器，引入了F-score这个综合指标。

　　　　F-score是精确率和召回率的调和均值，计算公式如下：

　　　　其中， （ ）的取值反映了精确率和召回率在性能评估中的相对重要性具体，通常情况下，取值为1。描述如下：

　　　　　　（1）当 时，就是常用的 值，表明精确率和召回率一样重要，计算公式如下：

　　　　　　（2）当 时， 表明召回率的权重比精确率高；

　　　　　　（3）当 时， 表明精确率的权重比召回率高。

　　Accuracy：也是对模型预测准确的整体评估， 通常用到的准确率计算公式如下：

　　AP/PR曲线：

　　　　即recall为横坐标，precision为纵坐标，绘制不同recall下的precison值，可以得到一条Precisoin和recall的曲线，AP就是这个P-R曲线下的面积，定义： 　　　　　　　　　　　　

　　　　举例子比较好理解，

　　　　分类问题：

　　　　　   假设有100张图片，要分成猫，狗，鸡三类，100张图片对应100个真实值，模型分类后我们会得到对应的100个预测值。这里我们可以只取前10个预测值出来，计算10个值中猫预测出几张，预测对几张，从而能计算出猫的precison和recall；接着我们可以取前20个预测值同样能计算出一组猫的precison和recall；这样一直增加到取100个预测值，就能得到猫的10组（recall, precision）值来绘制曲线。这里要注意的是：随着选取预测值增加，recall肯定是增加或不变的（选取的预测值越多，预测出来的猫越多，即查全率肯定是在增加或不变），若增加选取预测值后，recall不变，一个recall会对应两个precison值，一般选取较大的那个precision值。 如果我们每次只增加一个预测值，就会得到大约100对（recall， precisoin）值，然后就能绘制猫的PR曲线，计算出其下方的面积，就是猫对应的AP值(Average Precision)。 如果我们接着对狗和鸡也采用相同方法绘制出PR曲线， 就能得到猫，狗， 鸡三个AP值，取平均值即得到了整个模型最终的mAP（mean Average Precsion）。如下图中A， B， C三条PR曲线：

　　　　目标检测：

　　　　　　在目标检测中还有一个IoU（交并比、Intersection over Union、IoU）, 通过比较检测bbox和真实bbox的IoU来判断是否属于TP（True Positive

），例如设置IoU阈值为0.7，则IoU大于0.7的则判定为TP，否则为FP。因此当我们设置不同的IoU阈值时，也会得到不同的mAP值，再将这些mAP值进行平均就会得到mmAP，一般不做特别说明mmAP即指通常意义上的mAP。

　　　　　　因此目标检测mAP计算方法如下：给定一组IOU阈值，在每个IOU阈值下面，求所有类别的AP，并将其平均起来，作为这个IOU阈值下的检测性能，称为mAP(比如mAP@0.5就表示IOU阈值为0.5时的mAP)；最后，将所有IOU阈值下的mAP进行平均，就得到了最终的性能评价指标：mmAP。

 

 　　ROC曲线与AUC：

　　　　除了绘制PR曲线，计算AP，有时候也会绘制ROC曲线，计算AUC。（参考文章）

　　　　ROC(receiveroperating characteristic)：接受者操作特征，指的是TPR和FPR间的关系，纵坐标为TPR， 横坐标为FPR, 计算公式如下：

　　　　AUC(area under curve)：表示ROC曲线下的面积。

 

 

 参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/43068926

　　　　https://zhuanlan.zhihu.com/p/55575423

　　　　https://zhuanlan.zhihu.com/p/70306015

　　　　https://zhuanlan.zhihu.com/p/30953081

 

 2. FLOPs （浮点运算数）

　　    FLOPs：(Floating Point Operations)  s小写，指浮点运算数，理解为计算量。可以用来衡量算法/模型的复杂度。（模型） 在论文中常用GFLOPs（1 GFLOPs = 10^9 FLOPs）

　　   FLOPS: (Floating Point operations per second), S大写， 指每秒浮点运算的次数，可以理解为运算的速度，是衡量硬件性能的一个指标。

　　　 一般计算FLOPs来衡量模型的复杂度，FLOPs越小时，表示模型所需计算量越小，运行起来时速度更快。对于卷积和全连接运算，其公式如下：

　　　　另外，MAC(memory access cost, 内存访问成本)也会被用来衡量模型的运行速度， 一般MAC=2*FLOPs （一次加法运算和一次乘法算法）：

　　　　有一个基于pytorch的torchstat包，可以计算模型的FLOPs数，参数大小等指标，示例代码如下：

from torchstat import stat
import torchvision.models as models

model = model.alexnet()
stat(model, (3, 224, 224))

 

3. 模型参数大小

 

　　　常用模型的参数所占大小来衡量模型所需内存大小，一般可分为Vgg, GoogleNet, Resnet等参数量大的模型，和squeezeNet，mobilerNet，shuffleNet等参数量小的轻量级模型，常用一些模型的参数量和FLOPs如下：

 

 

 

 

 

 

参考：https://www.zhihu.com/question/65305385

　　   https://zhuanlan.zhihu.com/p/67009992