目标检测：mAP指标计算

2020-08-07 本文已影响0人殉道者之花火

mAP(mean average precision)是目标检测算法中衡量算法识别精度的指标，在计算mAP之前，需要先了解一些前置内容：

准确率

在分类算法中，将分类正确的样本在所有样本中的数量比例称之为准确率。一般来说，对于数据分布均衡的样本，该指标能够正确地评估分类算法的分类效果，但是，当数据分布不均衡时，该指标便不能客观的反映分类算法的分类效果了。举个简单的例子，假设，某专业有100个学生，其中有90个男生，10个女生。此时，数据分布是极不均衡的，如果分类算法预测该专业学生全为男生，即可达到 $90\%$ 的准确率，显然此分类算法明显是有极大缺陷的。故，当数据集的分布未知或分布不均衡时，请不要使用这个指标来评估分类算法的准确性。
混淆矩阵

混淆矩阵（Confusion Matrix）是指的这样一个矩阵，矩阵的行为算法预测的类别数量统计，列为样本所属真实类别的数量统计。
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如上图所示，其中灰色部分的 $3\times 3$ 矩阵即为一个混淆矩阵，矩阵一行一列的元素5代表实际为Cat的样本中有5个样本被分类算法预测为Cat，一行二列的元素3代表实际为Cat的样本中有3个样本被分类算法预测为Cat。显而易见的是，混淆矩阵对角线的元素表示数据集中被正确预测的样本数量，则用混淆矩阵的迹（矩阵的主对角线元素之和）除以矩阵的和即可得到分类算法的准确率。
精确率与召回率

精确率(Precision,P)是针对预测结果而言，用于衡量在所有预测为正的样本中，被正确预测的样本所占比例；召回率(Recall,R)是针对样本而言，用于衡量在所有为正例的样本中，被预测为正的样本所占比例。在说明二者的计算方式前，先定义几个概念：

TP(True positives): 被判定为正样本，实际为正样本。
TN(True negatives): 被判定为负样本，实际为负样本。
FP(False positives): 被判定为正样本，实际为负样本。
FN(False negatives): 被判定为负样本，实际为正样本。

使用上面几个概念可以很容易得出:

$P=\frac{TP}{TP+FP}$
$R = \frac{TP}{TP+FN}$

F值

显然，模型的精确率和召回率越大，分类算法在实际数据中的表现越好，为了综合评估这两个指标，定义二者的调和平均值为F值：
$\frac{2}{F}= \frac{1}{P}+\frac{1}{R}$
当精确率和召回率都很高时，F值也会很高。而在某些情景下，可能会相对更重视另一个指标，此时加入一个参数 $\beta$ 来度量二者的关系，此时的F值定义为：
$F_{\beta} = \frac{(1+\beta^2)PR}{\beta^2P+R}$

特异性、1-特异度、灵敏度

特异性（specificity,S）是实际1的样本所占比例：
$S = \frac{TN}{FP+TN}$
1-特异度（false positive rate,FPR）是实际负样本中，被错误得识别为正样本的负样本比例：
$FPR = \frac{FP}{FP+TN}$
灵敏度（true positive rate,TPR）是所有正样本中，正确识别的正样本比例，与召回率定义相同：
$R= TPR = \frac{TP}{TP+FN}$

ROC曲线与PR曲线

理解了精确率、召回率和特异性的概念，下面来介绍ROC和PR曲线：

ROC（Receiver Operating Characteristic）曲线是指以灵敏度TPR为纵轴，以1-特异度为横轴绘制的曲线,从FPR和TPR的定义可以理解，TPR越高，FPR越小，我们的模型和算法就越高效。也就是画出来的RoC曲线越靠近左上越好，如下图左图所示。从几何的角度讲，ROC曲线下方的面积越大，则模型越优。ROC曲线有个很好的特性：当测试集中的正负样本的分布变化的时候，ROC曲线能够保持不变。在实际的数据集中经常会出现类不平衡（class imbalance）现象，即负样本比正样本多很多（或者相反），而且测试数据中的正负样本的分布也可能随着时间变化。基于ROC曲线的这种特性，所以采用ROC曲线下的面积，即AUC（Area Under Curve）值来作为衡量算法和模型好坏的标准，能很好的应对各种复杂情形下模型评估工作。
ROC曲线绘制：
- 根据每个测试样本属于正样本的概率值从大到小排序；
- 从高到低，依次将Score值作为阈值threshold，当测试样本属于正样本的概率大于或等于这个threshold时，我们认为它为正样本，否则为负样本；
- 每次选取一个不同的threshold，我们就可以得到一组FPR和TPR，即ROC曲线上的一点。
当我们将threshold设置为1和0时，分别可以得到ROC曲线上的(0,0)和(1,1)两个点。将这些(FPR,TPR)对连接起来，就得到了ROC曲线。当threshold取值越多，ROC曲线越平滑。
AUC计算:

先考虑连续情况下的AUC，假设模型的ROC曲线函数表达式为：
$f(x),x \in [\alpha,\beta]$
则此时的AUC为：
$AUC=S(x)= \int^\beta_{\alpha}f(x)dx$
再考虑离散情况下使用梯形公示对定积分进行近似计算：
$AUC = S(n)=\sum_{i=2}^{n}\frac{(x_i-x_{i-1})(y_i+y_{i+1})}{2}$
由于TPR倾向于正例、FPR倾向于负例。使得ROC曲线能较为均衡的评估分类算法，特别是对于数据样本类别不均衡的情况。
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以精确率P为纵轴，召回率R为横轴，我们就得到了PR曲线。仍然从精确率和召回率的定义可以理解，精确率越高，召回率越高，我们的模型和算法就越高效。也就是画出来的PR曲线越靠近右上越好，如上图右图所示。由于PR曲线的正确率和召回率都聚焦于正例，对于主要关心正例的类别不平衡问题，PR曲线比ROC曲线有更好的表现。
AP（Average-Precision）与mAP（mean Average Precision）

AUC是AOC曲线的曲线下面积，而AP则是PR曲线的曲线下面积，根据PR曲线的定义，当PR曲线越靠近坐标系的右上方，PR曲线下面积越大，模型越高效。基于AP，mAP是多个类别AP的平均值，比较直观的，AUC、AP、mAP三者都属于 $[0,1]$ ,并且越接近于1越好。
非极大值抑制算法（Non-Maximum Suppression）

在目标检测算法中，为了保证物体的召回率，在Faster RCN或者SSD网络的计算输出中，对于同一个真实物体都会对应生成多个候选框，每个候选框都有各自的置信度。显然，我们更期望模型输出置信度最高的候选框，即抑制掉置信度为非极大值的候选框，将重复冗余的预测去掉。非极大值抑制，顾名思义就是抑制不是极大值的边框，也就是直接去掉冗余的边框。非极大值抑制算法涉及两个关键过程：
- 置信度：NMS假设一个候选框的置信度越高，这个候选框就要被优先考虑，其它与其重叠超过一定程度的候选框要被舍弃，非极大值指候选框置信度的非极大值。
- IOU：在评估两个候选框的重叠程度时，NMS一般使用IOU。当两个候选框的IOU超过一定阈值时，置信度低的候选框会被舍弃。一般来说，阈值通常会取0.5或者0.7。
NMS存在一个非常简约的实现方法，算法输入包含了所有预测框的得分、左上点坐标、右下点坐标一共5个预测量，以及一个设定的IOU阈值，流程如下：
- 按照得分，对所有边框进行降序排列，记录下排列的索引order，并新建一个列表keep，作为最终筛选后的边框索引结果。
- 将排序后的第一个边框置为当前边框，并将其保留到keep中，再求当前边框与剩余所有框的IoU。
- 在order中，仅仅保留IoU小于设定阈值的索引，重复第（2）步，直到order中仅仅剩余一个边框，则将其保留到keep中，退出循环，NMS结束。
NMS方法虽然简单有效，但在更高的物体检测需求下，也存在如下4个缺陷：
- 最大的问题就是将得分较低的边框强制性地去掉，如果物体出现较为密集时，本身属于两个物体的边框，其中得分较低的也有可能被抑制掉，从而降低了模型的召回率。
- 阈值难以确定。过高的阈值容易出现大量误检，而过低的阈值则容易降低模型的召回率，这个超参很难确定。
- 将得分作为衡量指标。NMS简单地将得分作为一个边框的置信度，但在一些情况下，得分高的边框不一定位置更准，因此这个衡量指标也有待考量。
- 速度：NMS的实现存在较多的循环步骤，GPU的并行化实现不是特别容易，尤其是预测框较多时，耗时较多。
IOU

IOU是目标检测中的一个重要概念，一般指模型预测的bbox（表征图形中对象位置的矩形框）和Groud Truth（表征训练数据中已经标注的矩形框）之间的交并比。关于IOU的进一步说明和计算推导，在此不做进一步展开，感兴趣的读者可以参考我的另一片博文目标检测:IOU计算。

精确率与召回率，RoC曲线与PR曲线

深度学习之Pytorch物体检测实战

目标检测：mAP指标计算

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