python实现计算精度、召回率和F1值

摘要:在深度学习的分类任务中,对模型的评估或测试时需要计算其在验证集或测试集上的预测精度(prediction/accuracy)、召回率(recall)和F1值。本文首先简要介绍如何计算精度、召回率和F1值,其次给出python编写的模块,可直接将该模块导入在自己的项目中,最后给出这个模块的实际使用效果。

一、混淆矩阵及P、R、F1计算原理

1、混淆矩阵

python实现计算精度、召回率和F1值_混淆矩阵 方阵,其中 python实现计算精度、召回率和F1值_python_02 表示类的个数。矩阵可用下面表示:
python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_03

因此该矩阵的某一个元素 python实现计算精度、召回率和F1值_python_04 表示实际类 python实现计算精度、召回率和F1值_python_05 被预测成 python实现计算精度、召回率和F1值_召回率_06 的样本个数。很显然,当前仅当 python实现计算精度、召回率和F1值_召回率_07

2、P、R、F1值
基于混淆矩阵可以很轻松的计算出精度、召回率和F1值,以及微平均和宏平均。

  1. 样本的总体精度(微平均,all_prediction):混淆矩阵主对角线上元素和除以混淆矩阵所有元素和。公式为:
    python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_08
  2. 某个类 python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_09 的精度(label_i_prediction):元素 python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_10 除以下标为 python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_09 的纵坐标元素和。公式为:
    python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_12
  3. 某各类 python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_09 的召回率(label_i_recall):元素 python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_10 除以下标为 python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_09 的横坐标元素和。公式为:
    python实现计算精度、召回率和F1值_混淆矩阵_16
  4. 样本的总体召回率(宏平均 MACRO-averaged): 所有类的召回率的平均值。公式为:
    python实现计算精度、召回率和F1值_混淆矩阵_17
  5. 样本的总体精度(宏平均 MACRO-averaged):区别于第一个,宏平均为所有类的精度的均值。公式为:
    python实现计算精度、召回率和F1值_召回率_18
  6. F1值:总体样本(或某个类)的精度和召回率满足如下:
    python实现计算精度、召回率和F1值_混淆矩阵_19

3、样例计算
为了更加清楚的理解上面的计算公式,给出一个关系抽取的实例,例如下面的混淆矩阵,横坐标为实际类,纵坐标为预测的类,一共19个类。

python实现计算精度、召回率和F1值_python_20


总体均值为: python实现计算精度、召回率和F1值_精度_21

各个类的精度、召回率和F1值为:

python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_22


宏平均精度为 python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_23 、宏平均召回率为 python实现计算精度、召回率和F1值_python_24 、F1值为 python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_25

二、python模块

为了在实际实验中更快捷的计算相应值,许多集成的perl脚本可以很轻松的实现计算,但为了更加方便用户编辑以及无缝接入自己的项目中,本文实现python的简单脚本。用户仅需import即可调用,源码如下:

#####模块说明######
'''
根据传入的文件true_label和predict_label来求模型预测的精度、召回率和F1值,另外给出微观和宏观取值。
powered by wangjianing 2019.3.2

'''
import numpy as np

def getLabelData(file_dir):
'''
模型的预测生成相应的label文件,以及真实类标文件,根据文件读取并加载所有label
1、参数说明:
file_dir:加载的文件地址。
文件内数据格式:每行包含两列,第一列为编号1,2,...,第二列为预测或实际的类标签名称。两列以空格为分隔符。
需要生成两个文件,一个是预测,一个是实际类标,必须保证一一对应,个数一致
2、返回值:
返回文件中每一行的label列表,例如['true','false','false',...,'true']
'''
labels = []
with open(file_dir,'r',encoding="utf-8") as f:
for i in f.readlines():
labels.append(i.strip().split(' ')[1])
return labels

def getLabel2idx(labels):
'''
获取所有类标
返回值:label2idx字典,key表示类名称,value表示编号0,1,2...
'''
label2idx = dict()
for i in labels:
if i not in label2idx:
label2idx[i] = len(label2idx)
return label2idx


def buildConfusionMatrix(predict_file,true_file):
'''
针对实际类标和预测类标,生成对应的矩阵。
矩阵横坐标表示实际的类标,纵坐标表示预测的类标
矩阵的元素(m1,m2)表示类标m1被预测为m2的个数。
所有元素的数字的和即为测试集样本数,对角线元素和为被预测正确的个数,其余则为预测错误。
返回值:返回这个矩阵numpy

'''
true_labels = getLabelData(true_file)
predict_labels = getLabelData(predict_file)
label2idx = getLabel2idx(true_labels)
confMatrix = np.zeros([len(label2idx),len(label2idx)],dtype=np.int32)
for i in range(len(true_labels)):
true_labels_idx = label2idx[true_labels[i]]
predict_labels_idx = label2idx[predict_labels[i]]
confMatrix[true_labels_idx][predict_labels_idx] += 1
return confMatrix,label2idx



def calculate_all_prediction(confMatrix):
'''
计算总精度:对角线上所有值除以总数
'''
total_sum = confMatrix.sum()
correct_sum = (np.diag(confMatrix)).sum()
prediction = round(100*float(correct_sum)/float(total_sum),2)
return prediction

def calculate_label_prediction(confMatrix,labelidx):
'''
计算某一个类标预测精度:该类被预测正确的数除以该类的总数
'''
label_total_sum = confMatrix.sum(axis=0)[labelidx]
label_correct_sum = confMatrix[labelidx][labelidx]
prediction = 0
if label_total_sum != 0:
prediction = round(100*float(label_correct_sum)/float(label_total_sum),2)
return prediction

def calculate_label_recall(confMatrix,labelidx):
'''
计算某一个类标的召回率:
'''
label_total_sum = confMatrix.sum(axis=1)[labelidx]
label_correct_sum = confMatrix[labelidx][labelidx]
recall = 0
if label_total_sum != 0:
recall = round(100*float(label_correct_sum)/float(label_total_sum),2)
return recall

def calculate_f1(prediction,recall):
if (prediction+recall)==0:
return 0
return round(2*prediction*recall/(prediction+recall),2)

def main(predict_file,true_file):
'''
该为主函数,可将该函数导入自己项目模块中
打印精度、召回率、F1值的格式可自行设计
'''
#读取文件并转化为混淆矩阵,并返回label2idx
confMatrix,label2idx = buildConfusionMatrix(predict_file,true_file)
total_sum = confMatrix.sum()
all_prediction = calculate_all_prediction(confMatrix)
label_prediction = []
label_recall = []
print('total_sum=',total_sum,',label_num=',len(label2idx),'\n')
for i in label2idx:
print(' ',i)
print(' ')
for i in label2idx:
print(i,end=' ')
label_prediction.append(calculate_label_prediction(confMatrix,label2idx[i]))
label_recall.append(calculate_label_recall(confMatrix,label2idx[i]))
for j in label2idx:
labelidx_i = label2idx[i]
label2idx_j = label2idx[j]
print(' ',confMatrix[labelidx_i][label2idx_j],end=' ')
print('\n')

print('prediction(accuracy)=',all_prediction,'%')
print('individual result\n')
for ei,i in enumerate(label2idx):
print(ei,'\t',i,'\t','prediction=',label_prediction[ei],'%,\trecall=',label_recall[ei],'%,\tf1=',calculate_f1(label_prediction[ei],label_recall[ei]))
p = round(np.array(label_prediction).sum()/len(label_prediction),2)
r = round(np.array(label_recall).sum()/len(label_prediction),2)
print('MACRO-averaged:\nprediction=',p,'%,recall=',r,'%,f1=',calculate_f1(p,r))

使用说明:

1、在自己的项目中,做模型的测试时,需要将实际类及预测类分别写入文件,格式例如下图:第一列为编号,第二列为类,中间用一个字符的空格隔开。

python实现计算精度、召回率和F1值_F1值_26

2、在测试的文件中添加导入模块语句

import prf1(假设这个脚本保存为 prf1.py)

3、模型预测后,执行(其中predict_file和true_file分别表示预测类文件和实际类文件):

prf1.main(predict_file,true_file)

备注:当然大家可以自己设计main函数中的打印格式

三、使用效果

博主将该脚本用在自己的实验中,做关于中文学科知识点关系抽取实验中,输出效果如图:

python实现计算精度、召回率和F1值_精度_27


python实现计算精度、召回率和F1值_召回率_28


博客记录着学习的脚步,分享着最新的技术,非常感谢您的阅读,本博客将不断进行更新,希望能够给您在技术上带来帮助。欢迎转载,转载请注明出处