機器學習算法評價參數指標（機器學習中的評價指標）

2023-05-31 08:41:58 1

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在人工智慧領域，機器學習的效果需要用各種指標來評價。本文將闡述機器學習中的常用性能評價指標，矢量卷積與神經網格的評價指標不包括在內。

當一個機器學習模型建立好了之後，即模型訓練已經完成，我們就可以利用這個模型進行分類識別。

比如，給模型輸入一張電動車的照片，模型能夠識別出這是一輛電動車；輸入一輛摩託車的照片，模型能夠識別出這是一輛摩託車。前提是：在模型訓練過程中，進行了大量電動車照片、摩託車照片的反覆識別訓練。

但即便模型具備了識別電動車、摩託車的能力，並不代表每次都能百分百正確識別。當然，我們肯定希望識別正確率越高越好。識別正確率越高，代表模型性能越良好。

具體有哪些指標可以評價模型性能的優良呢？我們從下面的例子來詳細了解。

例如，一個測試樣本集S總共有100張照片，其中，電動車的照片有60張，摩託車的照片是40張。給模型（二分類模型）輸入這100張照片進行分類識別，我們的目標是：要模型找出這100張照片中的所有電動車。這裡所說的目標即為正例（Positives），非目標即為負例（Negatives）。

假設模型給出的識別結果如下圖：

從上表結果可以看出，在100張照片中，模型識別給出了50個電動車目標，剩下50個則是摩託車。這與實際的情況有出入（實際是：電動車60個，摩託車40個），因而有些識別是錯誤的。正確的識別數據體現在TP和TN（T代表True），錯誤的識別數據則體現在FP和FN（F代表False）。

在識別給出的50個電動車目標中，其中只有40個是對的（TP:真的電動車），另外10個則識別錯了（FP:假的電動車，實際是摩託車）。

以上四個識別結果數值（TP、FP 、TN、FN）就是常用的評估模型性能優良的基礎參數。在進一步詳細說明TP、FP 、TN、FN各符號的含義之前，我們先來了解正例（正樣本）、負例（負樣本）的概念。

正例（Positives）：你所關注的識別目標就是正例。負例（Negatives）：正例以外的就是負例。

例如，在上面的例子中，我們關注的目標是電動車，那麼電動車就是正例，剩下摩託車則是負例。

再如，假設在一個森林裡，有羚羊、馴鹿、考拉三種動物，我們的目標是識別出羚羊，那麼羚羊就是正例，馴鹿和考拉則是負例。

圖1 正例與負例

又如，有一堆數字卡片，我們的目標是要找出含有數字8的卡片，那麼含有數字8的卡片就是正例，剩於其他的都是負例。

圖2 正例與負例

混淆矩陣

了解了正例（Positives）和負例（Negatives）的概念，我們就可以很好地理解TP、FN、TN、FP的各自含義（其中T代表True，F代表False，P即Positives，N即Negatives）：

在以上四個基礎參數中，真正例與真負例就是模型給出的正確的識別結果，比如電動車識別成電動車（真正例），摩託車識別成摩託車（真負例）；偽正例與偽負例則是模型給出的錯誤的識別結果，比如摩託車識別成電動車（偽正例），電動車識別成摩託車（偽負例）。其中，真正例（TP）是評價模型性能非常關鍵的參數，因為這是我們所關注的目標的有用結果，該值越高越好。

可以看出，在一個數據集裡，模型給出的判斷結果關係如下：

接下來，我們就來了解模型性能的各類評價指標。

模型性能指標

1、正確率（Accuracy）

正確率（Accuracy）：也即準確率，識別對了的正例（TP）與負例（TN）佔總識別樣本的比例。

即：A=(TP TN)/S

在上述電動車的例子中，從上表可知，TP TN =70，S= 100，則正確率為：A=70/100=0.7

通常來說，正確率越高，模型性能越好。

2、錯誤率（Error-rate）

錯誤率（Error-rate）：識別錯了的正例（FP）與負例（FN）佔總識別樣本的比例。

即：E=( FP FN)/S

在上述電動車的例子中，從上表可知，FP FN =30，S= 100，則錯誤率為：E=30/100=0.3

可見，正確率與錯誤率是分別從正反兩方面進行評價的指標，兩者數值相加剛好等於1。正確率高，錯誤率就低；正確率低，錯誤率就高。

3、精度（Precision）

精度（Precision）：識別對了的正例（TP）佔識別出的正例的比例。其中，識別出的正例等於識別對了的正例加上識別錯了的正例。

即：P=TP/(TP FP)

在上述電動車的例子中，TP=40，TP FP=50。也就是說，在100張照片識別結果中，模型總共給出了50個電動車的目標，但這50個目標當中只有40個是識別正確的，則精度為：P=40/50=0.8

因此，精度即為識別目標正確的比例。精度也即查準率，好比電動車的例子來說，模型查出了50個目標，但這50個目標中準確的比率有多少。

4、召回率（Recall）

召回率（Recall）：識別對了的正例（TP）佔實際總正例的比例。其中，實際總正例等於識別對了的正例加上識別錯了的負例（真正例 偽負例）。

即：R=TP/(TP FN)

同樣，在上述電動車的例子中，TP=40，TP FN =60。則召回率為：R=40/60=0.67

在一定意義上來說，召回率也可以說是「找回率」，也就是在實際的60個目標中，找回了40個，找回的比例即為：40/60。同時，召回率也即查全率，即在實際的60個目標中，有沒有查找完全，查找到的比率是多少。

從公式可以看出，精度與召回率都與TP值緊密相關，TP值越大，精度、召回率就越高。理想情況下，我們希望精度、召回率越高越好。但單獨的高精度或高召回率，都不足以體現模型的高性能。

例如下面的例子：

高精度模型

從上表可以看出，該模型識別結果給出正例50個，負例200個。在識別給出的50個正例當中全部都正確（都是真正例，沒有偽正例），因而精度P為100%，非常高。但是識別給出的200個負例全部都錯誤（都是偽負例），錯誤率非常高，這樣的模型性能其實非常低。

高召回率模型

上表可以看出，該模型識別結果給出正例110個，負例0個。在110個正例當中，其中10個是真正例（識別正確），100個卻是偽正例（識別錯誤）。在這個測試數據集中，計算的召回率R為100%，非常好，也就是說，在這個數據集裡總共有10個目標，已全部找到（召回）。但同時，計算得出模型識別結果的錯誤率E也很高，高達91%，所以這個模型性能也很低，基本不可靠。

5、精度-召回率曲線（PR曲線）

實際中，精度與召回率是相互影響的。通常，精度高時，召回率就往往偏低，而召回率高時，精度則會偏低。這其實也很好理解，前面我們說了，精度即查準率，召回率即查全率，要想查得精準（一查一個準），即模型給出的目標都正確，那就得提高閾值門檻，閾值一提高，符合要求的目標就會減少，那必然會導致漏網之魚增多，召回率降低。

相反，若想召回率高，沒有漏網之魚（目標都找到），就要降低閾值門檻，才能把所有目標收入囊中，與此同時會攬入一些偽目標，從而導致精度降低。

例如，在不同的閾值下（分別為0.6和0.5），模型給出15張圖片的識別結果如下：

上表中1、0分別代表正例和負例。通過設定一個閾值（T），當置信度分數大於閾值則識別為正例，小於閾值則識別為負例。上表識別結果中當閾值T=0.6，模型給出的正例有8個，當閾值T=0.5，模型給出的正例則有10個。

通過與真實屬性值核對，我們可以得出這兩個閾值下的各個參數（TP、FP、FN）以及計算得出召回率（R）和精度（P）如下：

可以看出，設定的閾值不同，得出的召回率（R）和精度（P）也不相同。因此，對於每一個閾值可得到對應的一組（R，P），例如，上述的兩個閾值可得出兩組（R，P），分別為：（0.86，0.75）和（1，0.7）。如果取多個不同的閾值，就可以得到多組（R，P）。將這些坐標點（R，P）繪製在坐標上，然後將各坐標點用曲線連起來，即可得到PR曲線。

因此，PR曲線即是以召回率R為橫軸，精度P為縱軸畫出的曲線，如下圖：

6、AP（Average Precision）值

PR曲線下的面積稱為AP（Average Precision），表示召回率從0-1的平均精度值。如何計算AP呢？很顯然，根據數學知識，可用積分進行計算，公式如下：

顯然，這個面積的數值不會大於1。PR曲線下的面積越大，模型性能則越好。性能優的模型應是在召回率（R）增長的同時保持精度（P）值都在一個較高的水平，而性能較低的模型往往需要犧牲很多P值才能換來R值的提高。如下圖所示，有兩條PR曲線，可以看出，PR1曲線為性能較優的模型表現形式，PR1曲線下的面積明顯大於PR2曲線下的面積。對於PR1曲線，隨著R值的增長，P值仍能保持在一個較高的水平；而對於PR2曲線，隨著R值的增長，P值則不斷下降，因此是通過犧牲P值才能換得R值的提高。

除了使用積分方法計算AP值，實際應用中，還常使用插值方法進行計算。常見的一種插值方法是：選取11個精度點值，然後計算出這11個點的平均值即為AP值。

怎樣選取11個精度點值呢？通常先設定一組閾值,例如[0,0.1,0.2…,1], 對於R大於每一個閾值（R>0, R>0.1,…, R>1），會得到一個對應的最大精度值Pmax,這樣就會得到11個最大精度值（Pmax1, Pmax2,…, Pmax11）。

則：AP=（Pmax1 Pmax2 … Pmax11）/11

7、mAP（Mean Average Precision）值

AP是衡量模型在單個類別上平均精度的好壞，mAP則是衡量模型在所有類別上平均精度的好壞，每一個類別對應有一個AP，假設有n個類別，則有n個AP，分別為：AP1，AP2，…，APn, mAP就是取所有類別 AP 的平均值，即：mAP= (AP1 AP2 … APn)/n

8、綜合評價指標F-Measure

F-Measure又稱F-Score，是召回率R和精度P的加權調和平均，顧名思義即是為了調和召回率R和精度P之間增減反向的矛盾，該綜合評價指標F引入了係數α對R和P進行加權調和，表達式如下：

而我們最常用的F1指標，就是上式中係數α取值為1的情形，即：F1=2P.R/(P R)，F1的最大值為1，最小值為0。

9、ROC曲線與AUC

ROC(Receiver Operating Characteristic)曲線與AUC(Area Under the Curver)

ROC曲線，也稱受試者工作特徵。ROC曲線與真正率（TPR，True Positive Rate）和假正率(FPR, False Positive Rate)密切相關。

真正率(TPR): 識別對了的正例（TP）佔實際總正例的比例，實際計算值跟召回率相同。即：TPR =TP/(TP FN)

假正率(FPR): 識別錯了的正例（FP）佔實際總負例的比例。也可以說，誤判的負例（實際是負例，沒有判對）佔實際總負例的比例。計算式如下：FPR =FP/(FP TN)

以FPR為橫軸，TPR為縱軸，繪製得到的曲線就是ROC曲線，繪製方法與PR曲線類似。繪製得到的ROC曲線示例如下：

一般來說，ROC曲線越靠近左上方越好。

ROC曲線下的面積即為AUC。面積越大代表模型的分類性能越好。如上圖所示，綠線分類模型AUC=0.83大於紅線分類模型AUC=0.65，因此，綠線分類模型的分類性能更優。並且，綠線較紅線更光滑。通常來說，ROC曲線越光滑，過擬合程度越小。綠線分類模型的整體性能要優於紅線分類模型。

10、IoU（Intersection-over-Union）指標

IoU簡稱交並比，顧名思義數學中交集與併集的比例。假設有兩個集合A與B, IoU即等於A與B的交集除以A與B的併集，表達式如下：IoU=A∩B/A∪B

在目標檢測中，IoU為預測框(Prediction)和真實框(Ground truth)的交並比。如下圖所示，在關於小貓的目標檢測中，紫線邊框為預測框(Prediction)，紅線邊框為真實框(Ground truth)。

將預測框與真實框提取如下圖，兩者的交集區域為左下圖斜線填充的部分，兩者的併集區域為右下圖藍色填充的區域。IoU即為：

左邊斜線填充的面積/右邊藍色填充的總面積。

預測框與真實框交集與併集示例

在目標檢測任務中，通常取IoU≥0.5，認為召回。如果IoU閾值設置更高，召回率將會降低，但定位框則更加精確。

理想的情況，當然是預測框與真實框重疊越多越好，如果兩者完全重疊，則交集與併集面積相同，此時IoU等於1。

11、Top1與TopK

Top1：對一張圖片，模型給出的識別概率中（即置信度分數），分數最高的為正確目標，則認為正確。這裡的目標也就是我們說的正例。

TopK: 對一張圖片，模型給出的識別概率中（即置信度分數），分數排名前K位中包含有正確目標（正確的正例），則認為正確。

K的取值一般可在100以內的量級，當然越小越實用。比如較常見的，K取值為5，則表示為Top5，代表置信度分數排名前5當中有一個是正確目標即可；如果K取值100，則表示為Top100，代表置信度分數排名前100當中有一個是正確目標（正確的正例）即可。可見，隨著K增大，難度下降。

例如，在一個數據集裡，我們對前5名的置信度分數進行排序，結果如下：

上表中，取閾值T=0.45，排名前5的置信度分數均大於閾值，因此都識別為正例。對於Top1來說，即ID號為4的圖片，實際屬性卻是負例，因此目標識別錯誤。而對於Top5來說，排名前5的置信度分數中，有識別正確的目標，即ID號為2、20的圖片，因此認為正確。

在常見的人臉識別算法模型中，正確率是首當其衝的應用宣傳指標。事實上，對同一個模型來說，各個性能指標也並非一個靜止不變的數字，會隨著應用場景、人臉庫數量等變化而變化。因此，實際應用場景下的正確率跟實驗室環境下所得的正確率一定是存在差距的，某種程度上說，實際應用場景下的正確率更具有評價意義。

@咪付

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