学习笔记1-PRID：行人重识别常用评测指标（rank-n、Precision & Recall、F-score、mAP 、CMC、ROC)[通俗易懂]

一、多种常用识别指标

1、rank-n

搜索结果中最靠前（置信度最高）的n张图有正确结果的概率。

例如： lable为m1，在100个样本中搜索。

当待识别的人脸集合有很多时，则采取取平均值的做法。

2、Precision & Recall

一般来说，Precision就是检索出来的条目（比如：文档、网页等）有多少是准确的，Recall就是所有准确的条目有多少被检索出来了。

Precision：准确率 output为1中ground truth也为1的占ground truth为1的概率

Recall：召回率 output为1中ground truth也为1的占output为1的概率

正确率 = 提取出的正确信息条数 / 提取出的信息条数

召回率 = 提取出的正确信息条数 / 样本中的信息条数

准确率和召回率都是针对同一类别来说的，并且只有当检索到当前类别时才进行计算，比如在person re-id中，一个人的label为m1，在测试集中包含3张此人的图像，检索出来的图像按照得分从高到低顺序为m1、m2、m1、m3、m4、m1….，此时

第一次检索到m1，提取出的正确信息条数=1，提取出的信息条数=1，样本中的信息条数=3，正确率=1/1=100%，召回率=1/3=33.33%；
第二次检索到m1，提取出的正确信息条数=2，提取出的信息条数=3，样本中的信息条数=3，正确率=2/3=66.66%，召回率=2/3=66.66%；
第三次检索到m1，提取出的正确信息条数=3，提取出的信息条数=6，样本中的信息条数=3，正确率=3/6=50%，召回率=3/3=100%；

平均正确率AP=（100%+66.66%+50%）/3=72.22%
而当需要检索的不止一个人时，此时正确率则取所有人的平均mAP。

3、F-score

recall和precision的调和平均数 2 * P * R / (P + R)

从上面准确率和召回率之间的关系可以看出，一般情况下，Precision高，Recall就低，Recall高，Precision就低。所以在实际中常常需要根据具体情况做出取舍，例如一般的搜索情况，在保证召回率的条件下，尽量提升精确率。

很多时候我们需要综合权衡这2个指标，这就引出了一个新的指标F-score。这是综合考虑Precision和Recall的调和值。
当β=1时，称为F1-score，这时，精确率和召回率都很重要，权重相同。当有些情况下，我们认为精确率更重要些，那就调整β的值小于1，如果我们认为召回率更重要些，那就调整β的值大于1。

比如在上面的例子中，在第三次检索到m1时的争取率为50%，召回率为100%，则F1-score=（2*0.5*1）/（0.5+1）=66.66%，而F0.5-score=（1.25*0.5*1）/（0.25*0.5+1）=55.56%

4、mAP

PR曲线下的面积（PR曲线: 所有样本的precision和recall绘制在图里）

例如：query-id = 1，query-cam = 1，gallery共有5张图，按照下图方式计算出recall和precision，以recall为横坐标，precision为纵坐标，绘制PR曲线，曲线下方面积即为AP，当需要检索的不止一个人时，此时取所有人的平均mAP。。

曲线下方面积计算方法有多种，例如 ap = ap + (recall – old_recall)*((old_precision+precision)/2);

AP衡量的是学出来的模型在单个类别上的好坏，mAP衡量的是学出的模型在所有类别上的好坏

5、CMC

对于single gallery shot来说，每一次query，对samples排序，找到匹配上id的gallery后，排除掉同一个camera下同一个id的sample。

CMC曲线是算一种top-k的击中概率，主要用来评估闭集中rank的正确率。举个很简单的例子，假如在人脸识别中，底库中有100个人，现在来了1个待识别的人脸（假如label为m1），与底库中的人脸比对后将底库中的人脸按照得分从高到低进行排序，我们发现：

如果识别结果是m1、m2、m3、m4、m5……，则此时rank-1的正确率为100%；rank-2的正确率也为100%；rank-5的正确率也为100%；
如果识别结果是m2、m1、m3、m4、m5……，则此时rank-1的正确率为0%；rank-2的正确率为100%；rank-5的正确率也为100%；
如果识别结果是m2、m3、m4、m5、m1……，则此时rank-1的正确率为0%；rank-2的正确率为0%；rank-5的正确率为100%；
同理，当待识别的人脸集合有很多时，则采取取平均值的做法。例如待识别人脸有3个（假如label为m1，m2，m3），同样对每一个人脸都有一个从高到低的得分，

比如人脸1结果为m1、m2、m3、m4、m5……，人脸2结果为m2、m1、m3、m4、m5……，人脸3结果m3、m1、m2、m4、m5……，则此时rank-1的正确率为（1+1+1）/3=100%；rank-2的正确率也为（1+1+1）/3=100%；rank-5的正确率也为（1+1+1）/3=100%；
比如人脸1结果为m4、m2、m3、m5、m6……，人脸2结果为m1、m2、m3、m4、m5……，人脸3结果m3、m1、m2、m4、m5……，则此时rank-1的正确率为（0+0+1）/3=33.33%；rank-2的正确率为（0+1+1）/3=66.66%；rank-5的正确率也为（0+1+1）/3=66.66%；

6、ROC

ROC曲线是检测、分类、识别任务中很常用的一项评价指标。曲线上每个点反映着对同一信号刺激的感受性。具体到识别任务中就是，ROC曲线上的每一点反映的是不同的阈值对应的FP（false positive）和TP（true positive）之间的关系。

曲线上的每一点反映的是不同的阈值对应的FP（false positive）和TP（true positive）之间的关系。通常情况下，ROC曲线越靠近（0，1）坐标表示性能越好。

TP : True Positive 预测为1，实际也为1；TN：True Nagetive 预测为0，实际也为0

FP：False Positive 预测为1，实际为0的；FN：False Nagetive 预测为0，实际为1的

TPR=TP/(TP+FN)=Recall。

FPR=FP/(FP+TN)，FPR即为实际为好人的人中，预测为坏人的人占比。

以FPR为x轴，TPR为y轴画图，就得到了ROC曲线。

二、深度学习与计算机视觉(PB-04)-rank-N准确度

在我们深入讨论高级深度学习主题(如迁移学习)之前，先来了解下rank-1、rank-5和rank-N准确度的概念。当你在阅读深度学习相关文献时，尤其是关于计算机视觉和图像分类，你很可能会看到关于rank-N 准确度。例如，几乎所有在ImageNet数据集上验证的机器学习方法的论文都给出了rank-1和rank-5准确度 (我们将在本章后面解释为什么需要使用rank-1和rank-5准确度).

rank-N准确度指标与传统的评估指标有何不同呢？在本节中，我们将讨论rank-N准确度内容以及如何实现它。最后将其应用于在Flower-17（Flower-17 是一个不同种类鲜花的图像数据,包含 17 不同种类的鲜花,每类 80 张该类鲜花的图片,鲜花种类是英国地区常见鲜花。）和CALTECH-101（Caltech101 是一个图像物体识别数据集,包含 101 类物体的图像,每个类别中最小包含 31 张图片。）数据集上。

rank-N准确度

通过一个例子来解释rank-N准确度概念。假设我们正在评估一个训练在CIFAR-10数据集上的神经网络模型，CIFAR-10数据集包括10个类:飞机，汽车，鸟、猫、鹿、狗、青蛙、马、船和卡车。给定一张输入图像(如图4.1左)

图4.1 左：青蛙，右：汽车

模型返回的结果是表4.1左的类标签概率信息。

表4.1 左：图4.1左图预测结果，右：图4.1右图预测结果

我们先看看rank-1的计算，对于每一张图片，取模型预测的类概率列表中最大的概率对应的标签作为该图片的预测结果。比如，我们使用图4.1左对应真实标签为青蛙的图片进行预测，得到表4.1左结果，从中可以看到最大概率为97.3%对应的预测结果也为青蛙，说明预测结果是对的。因此，可以看到计算rank-1的整个过程为:

步骤1：计算数据集中每个输入图像的类标签概率。
步骤2：原始标签与对应概率最大的标签进行比较，若相同为true，反之false
步骤3：统计步骤2为true的个数

上面我们计算的是rank-1准确度，即对应预测最高概率的标签与真实标签相同的个数占总个数的百分比——标签相同的个数 / 总数据个数。

现在，我们扩展到rank-5准确度，我们关注的不是top1的预测，而是top5的预测，那么整个计算过程如下:

步骤1：计算数据集中每个输入图像的类标签概率。
步骤2：对预测的类标签概率进行降序排序
步骤3：判断真实的标签是否落在预测的top5标签里面，若存在，则标记为true，反之false
步骤4：统计步骤3中为true的个数

rank-5准确度是rank-1准确度的扩展，我们对一张图片的预测结果是来自模型输出结果中top5对应的5个预测，而不是top1的1个预测。例如，我们对图4.1右图片进行预测，rank-5对应的预测结果为表4.1右结果。

很显然图4.1右是一辆汽车，然而，如果使用的是rank-1预测的话，结果为卡车，显然是不对的。但是如果使用rank-5的话，发现汽车实际上是第2个预测结果，这时候对于rank-5预测而言是正确的。这种方法也可以很容易地推广到计算rank-N准确度。一般而言，我们只计算rank-1和rank-5准确度——计算rank-1的准确度可以理解，为什么还需要计算rank-5准确度呢？

对于CIFAR-10数据集来说，由于本身类别个数不多，计算rank-5准确度有点不太合适。但对于大型的、具有挑战性的数据集来说，特别是细粒度的分类。从Szegedy[17]等人的论文中的一个例子或许可以很好的解释为什么需要计算rank-1和rank-5准确度。比如图4.2中，我们可以看到左边是西伯利亚哈士奇，右边是爱斯基摩犬。从人的肉眼来看是无法区分开的，但是这个在ImageNet 数据集中是有效的标签。

图4.2，左：西伯利亚哈士奇，右：爱斯基摩犬

当处理的大型数据集各个类别之间存在许多具有相似特征时，我们往往会增加一个rank-5准确度，也就是说我们不止关心rank-1准确度，也关心rank-5准确度。结合两个准确度来以衡量神经网络的性能。理想情况下，随着预测数据增加，希望rank-1准确度和rank-5准确度同比例增加。但是，在某些数据集上，情况往往并非总是如此。

因此，我们也根据rank-5准确度检验模型，以确保我们的网络在后面的迭代中仍然是“学习”的。在训练快结束时，rank-1准确度可能会停滞不前，但是当我们的网络学习到更多的识别特征(虽然没有足够的识别能力超过top1的预测)时，rank-5准确度会继续提高。
实现rank-1和rank-5准确度

我们可以通过在项目中构建一个工具模块来计算rank-1和rank-5准确度。因此，在pyimagesearch
项目中增加一个子模块utils，并在子模块中增加一个ranked.py脚本，整个目录结构如下:

--- pyimagesearch
|    |--- __init__.py
|    |--- callbacks
|    |--- io
|    |--- nn
|    |--- preprocessing
|    |--- utils
|        |--- __init__.py
|        |--- captchahelper.py
|        |--- ranked.py

打开ranked.py脚本，写入以下代码：

#encoding:utf-8
import numpy as np
def rank5_accuracy(preds,labels):
    #初始化
    rank1 = 0
    rank5 = 0

定义了rank5_accuracy函数，主要需要传入两个参数:

preds: 一个NxT的矩阵，其中N表示行数，T表示列数，每个值代表对应标签下的概率
labels：原始数据中的真实标签

接下来计算rank-1和rank-5:

    # 遍历数据集
    for (p,gt) in zip(preds,labels):
        # 通过降序对概率进行排序
        p = np.argsort(p)[::-1]
        # 检查真实标签是否落在top5中
        if gt in p[:5]:
            rank5 += 1
        # 检验真实标签是否等于top1
        if gt == p[0]:
            rank1 += 1
            # 计算准确度
    rank1 /= float(len(labels))
    rank5 /= float(len(labels))
    return rank1,rank5

应用

第2节中，我们使用了预先训练好的VGG16模型对三种数据集提取了特征，并对特征向量训练了逻辑回归模型，以及对模型进行了评估，接下来，我们将使用rank-1和rank-5准确度进行型评估。

新建一个脚本文件，名为rank_accuracy.py，并写入以下代码：

#encoding:utf-8
from pyimagesearch.utils.ranked import rank5_accuracy
import argparse
import pickle
import h5py

接下来，解析命令行参数:

# 解析命令行参数
ap = argparse.ArgumentParser()
ap.add_argument('-d','--db',required=True,help='path HDF5 databases')
ap.add_argument('-m','--model',required=True,help = 'path to pre-trained model')
args = vars(ap.parse_args())

主要有两个参数：

–db: HDF5数据路径
–model：之前训练好的logistic regression模型路径

由于我们使用的是前75%的数据进行训练，因此，我们使用后25%数据进行预测和评估：

# 加载模型
print("[INFO] loading pre-trained model...")
model = pickle.loads(open(args['model'],'rb').read())

db = h5py.File(args['db'],'r')
i = int(db['labels'].shape[0] * 0.75)
# 预测
print ("[INFO] predicting....")
preds = model.predict_proba(db['features'][i:])
(rank1,rank5) = rank5_accuracy(preds,db['labels'][i:])
# 结果打印
print("[INFO] rank-1:{:.2f}%".format(rank1 * 100))
print("[INFO] rank-5:{:.2f}%".format(rank5 * 100))
db.close()

Flowers-17结果

下面我们使用Flowers-17数据进行实验，运行下面命令:

$ python rank_accuracy.py --db youPath/data/flowers17/hdf5/features.hdf5 -model youPath/flowers17.cpickle

将得到如下结果:

[INFO] loading pre-trained model...
[INFO] predicting....
[INFO] rank-1:90.00%
[INFO] rank-5:99.71%

CALTECH-101结果

我们尝试另外一个数据例子—CALTECH-101，运行下面代码：

$ python rank_accuracy.py --db youPath/data/caltech101/hdf5/features.hdf5 --model youPath/caltech101.cpickle

得到的结果如下；

[INFO] loading pre-trained model...
[INFO] predicting...
[INFO] rank-1: 95.58%
[INFO] rank-5: 99.45%

总结

在本节中，我们讨论了rank-1和rank-5准确度概念。在大型的、具有挑战性的数据集(如ImageNet)上，除了要关注rank-1准确度，还需要关注rank-5准确度，在这些数据集中，即使是人眼查看也无法正确地给每一张图像贴上真实的标签。在这种情况下，如果真实标签存在于top5预测中，那么可以认为我们的模型的预测是“正确的”。

说明：rank-1和rank-5准确性并不仅限于深度学习和图像分类，还可以使用在其它领域。

<还不太明白实验测试部分的代码！！！>

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原文：学习笔记1–PRID：行人重识别常用评测指标（rank-n、Precision & Recall、F-score、mAP 、CMC、ROC)

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