分类模型confusion matrix混淆矩阵可视化

约定不等于承诺〃 2022-09-09 01:53 324阅读 0赞

之前写过一篇关于在scikit-learn工具包中，可视化estimator分类模型分类结果的confusion matrix混淆矩阵可视化的方法，具体可以参考[看这里，看这里][Link 1]。今天这篇介绍一下如何使用scikit-learn工具中提供的相关方法，可视化其他任意框架（比如深度学习框架）的分类模型预测结果的混淆矩阵。

下面先说一下几个关键步骤：

1、确定类别列表，类别列表和one-hot的编码顺序一致，这里使用cifar-10的类别列表作为演示的例子。

classes = ["airplane", "automobile", "bird", "cat", "deer", "dog", "frog", "horse", "ship", "truck"

2、准备好样本的真实label，这里我手动构造一个1000个样本的label，每一类100个。

# 生成数据集的GT标签
    gt_labels = np.zeros(1000).reshape(10, -1)
    for i in range(10):
        gt_labels[i] = i
    gt_labels = gt_labels.reshape(1, -1).squeeze()
    print("gt_labels.shape : {}".format(gt_labels.shape))
    print("gt_labels : {}".format(gt_labels[::5]))

3、准备好样本的预测label，这里我也手动构造这1000个样本的预测label，构造时才用了一点规则，构造出来的预测结果保证从第0类到第9类的预测准确率是逐渐降低的。

# 生成数据集的预测标签
    pred_labels = np.zeros(1000).reshape(10, -1)
    for i in range(10):
        # 标签生成规则：对于真值类别编号为i的数据，生成的预测类别编号为[0, i-1]之间的随机值
        # 这样生成的预测准确率从0到9逐渐递减
        pred_labels[i] = np.random.randint(0, i + 1, 100)
    pred_labels = pred_labels.reshape(1, -1).squeeze()
    print("pred_labels.shape : {}".format(pred_labels.shape))
    print("pred_labels : {}".format(pred_labels[::5]))

4、计算真是label和预测label的混淆矩阵，直接调用scikit-learn中的confusion\_matrix方法

# 使用sklearn工具中confusion_matrix方法计算混淆矩阵
    confusion_mat = confusion_matrix(gt_labels, pred_labels)
    print("confusion_mat.shape : {}".format(confusion_mat.shape))
    print("confusion_mat : {}".format(confusion_mat))

5、混淆矩阵可视化，在scikit-learn工具中有一个[plot\_confusion\_matrix][plot_confusion_matrix]方法可以可视化sklearn训练的模型estimator的混淆矩阵，具体参数如下：

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56iL5aSn5rW3_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16][]

但是，现在的问题是我们使用的是别的框架训练的模型，也就没有这个estimator参数可以供sklearn使用，怎么办？

我们看一下[plot\_confusion\_matrix][plot_confusion_matrix 1]函数的代码可以发现，他其实内部调用了以下方法：

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56iL5aSn5rW3_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1][]

那么，我们也仿照这个调用方式来写一下试试，代码如下：

# 使用sklearn工具包中的ConfusionMatrixDisplay可视化混淆矩阵，参考plot_confusion_matrix
    disp = ConfusionMatrixDisplay(confusion_matrix=confusion_mat, display_labels=classes)
    disp.plot(
        include_values=True,            # 混淆矩阵每个单元格上显示具体数值
        cmap="viridis",                 # 不清楚啥意思，没研究，使用的sklearn中的默认值
        ax=None,                        # 同上
        xticks_rotation="horizontal",   # 同上
        values_format="d"               # 显示的数值格式
    )

6、将以上代码整合一下，输入数据的真实label和预测label，就可以可视化混淆矩阵了，并且不仅局限于评估scikit-learn的estimator，可以适用于所有框架的输出结果，完整代码如下：

import numpy as np
    from sklearn.metrics import confusion_matrix, ConfusionMatrixDisplay
    from matplotlib import pyplot as plt
    
    classes = ["airplane", "automobile", "bird", "cat", "deer", "dog", "frog", "horse", "ship", "truck"]
    
    # 生成数据集的GT标签
    gt_labels = np.zeros(1000).reshape(10, -1)
    for i in range(10):
        gt_labels[i] = i
    gt_labels = gt_labels.reshape(1, -1).squeeze()
    print("gt_labels.shape : {}".format(gt_labels.shape))
    print("gt_labels : {}".format(gt_labels[::5]))
    
    # 生成数据集的预测标签
    pred_labels = np.zeros(1000).reshape(10, -1)
    for i in range(10):
        # 标签生成规则：对于真值类别编号为i的数据，生成的预测类别编号为[0, i-1]之间的随机值
        # 这样生成的预测准确率从0到9逐渐递减
        pred_labels[i] = np.random.randint(0, i + 1, 100)
    pred_labels = pred_labels.reshape(1, -1).squeeze()
    print("pred_labels.shape : {}".format(pred_labels.shape))
    print("pred_labels : {}".format(pred_labels[::5]))
    
    # 使用sklearn工具中confusion_matrix方法计算混淆矩阵
    confusion_mat = confusion_matrix(gt_labels, pred_labels)
    print("confusion_mat.shape : {}".format(confusion_mat.shape))
    print("confusion_mat : {}".format(confusion_mat))
    
    # 使用sklearn工具包中的ConfusionMatrixDisplay可视化混淆矩阵，参考plot_confusion_matrix
    disp = ConfusionMatrixDisplay(confusion_matrix=confusion_mat, display_labels=classes)
    disp.plot(
        include_values=True,            # 混淆矩阵每个单元格上显示具体数值
        cmap="viridis",                 # 不清楚啥意思，没研究，使用的sklearn中的默认值
        ax=None,                        # 同上
        xticks_rotation="horizontal",   # 同上
        values_format="d"               # 显示的数值格式
    )
    plt.show()

7、混淆矩阵的可视化结果

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56iL5aSn5rW3_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2][]

上图中的可视化结果符合我们在生成预测label标签时使用的规则，就是对于每个类别 i 的预测结果是0-i之间的随机值，这样的话，每个类别的预测误差只会出现在类别编号比它小的部分，也就是上图中展示的下三角矩阵。

在混淆矩阵中，横轴上的标签标示样本的预测label，纵轴上的标签标示样本的实际label。所以，对角线上的数字表示预测label和真是label一致的数量，也就是预测正确的数量。对于其他位置的数字就表示预测错误的，举个例子，比如第2行、第1列，也就是对应着（airplane, automobile）位置的数字51，表示有51个真实label为automobile的样本被预测为了airplane。

通过可视化的混淆矩阵，模型的误差，以及效果分类不好的类别，以及为什么不好，以及容易和哪个类之间出现误识别就一目了然了。

参考：[https://blog.csdn.net/cxx654/article/details/107296343][Link 1]

[Link 1]: https://blog.csdn.net/cxx654/article/details/107296343
[plot_confusion_matrix]: https://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.metrics.plot_confusion_matrix.html?highlight=confusion#sklearn.metrics.plot_confusion_matrix
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56iL5aSn5rW3_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220829/1158a43113cb4782897147fd233c05af.png
[plot_confusion_matrix 1]: https://github.com/scikit-learn/scikit-learn/blob/2beed5584/sklearn/metrics/_plot/confusion_matrix.py#L168
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56iL5aSn5rW3_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]: /images/20220829/3614ba75571044ef91371744ee7fee24.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA56iL5aSn5rW3_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]: /images/20220829/1e1cd111f9fd49d9863104a3b921642b.png