Pytorch+Tensorboard混淆矩阵可视化
引言
混淆矩阵是分类任务常用的一种评估方法。对角线元素表示预测标签等于真实标签的点数,而非对角线元素则是分类器未正确标记的点的数量。 混淆矩阵的对角线值越高越好,表明有许多正确的预测。1
尤其是在类别数量不平衡的情况下,相比accuracy,混淆矩阵(confusion matrix)对哪个类被错误分类具有更直观的解释。
在平时做简单的数据实验时,可以仅用from sklearn.metrics import plot_confusion_matrix
或者seaborn
对混淆矩阵进行可视化。但是在深度学习训练模型的过程中,在tensorboard
中可视化混淆矩阵会更方便结果记录和对照。
混淆矩阵
在tensorboard中的可视化效果:
代码实现
代码参考facebook的SlowFast工程2:
引用库
import itertools
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import torch
from sklearn.metrics import confusion_matrix
计算混淆矩阵
从pytorch模型输出的预测结果preds、真值labels,计算混淆矩阵。
def get_confusion_matrix(preds, labels, num_classes, normalize="true"):"""Calculate confusion matrix on the provided preds and labels.Args:preds (tensor or lists of tensors): predictions. Each tensor is inin the shape of (n_batch, num_classes). Tensor(s) must be on CPU.labels (tensor or lists of tensors): corresponding labels. Each tensor isin the shape of either (n_batch,) or (n_batch, num_classes).num_classes (int): number of classes. Tensor(s) must be on CPU.normalize (Optional[str]) : {‘true’, ‘pred’, ‘all’}, default="true"Normalizes confusion matrix over the true (rows), predicted (columns)conditions or all the population. If None, confusion matrixwill not be normalized.Returns:cmtx (ndarray): confusion matrix of size (num_classes x num_classes)"""if isinstance(preds, list):preds = torch.cat(preds, dim=0)if isinstance(labels, list):labels = torch.cat(labels, dim=0)# If labels are one-hot encoded, get their indices.if labels.ndim == preds.ndim:labels = torch.argmax(labels, dim=-1)# Get the predicted class indices for examples.preds = torch.flatten(torch.argmax(preds, dim=-1))labels = torch.flatten(labels)cmtx = confusion_matrix(labels, preds, labels=list(range(num_classes)))#, normalize=normalize) 部分版本无该参数return cmtx
绘制混淆矩阵
输入get_confusion_matrix获取的混淆矩阵cmtx,类别数量和类别名称,进行混淆矩阵绘制。
def plot_confusion_matrix(cmtx, num_classes, class_names=None, figsize=None):"""A function to create a colored and labeled confusion matrix matplotlib figuregiven true labels and preds.Args:cmtx (ndarray): confusion matrix.num_classes (int): total number of classes.class_names (Optional[list of strs]): a list of class names.figsize (Optional[float, float]): the figure size of the confusion matrix.If None, default to [6.4, 4.8].Returns:img (figure): matplotlib figure."""if class_names is None or type(class_names) != list:class_names = [str(i) for i in range(num_classes)]figure = plt.figure(figsize=figsize)plt.imshow(cmtx, interpolation="nearest", cmap=plt.cm.Blues)plt.title("Confusion matrix")plt.colorbar()tick_marks = np.arange(len(class_names))plt.xticks(tick_marks, class_names, rotation=45)plt.yticks(tick_marks, class_names)# Use white text if squares are dark; otherwise black.threshold = cmtx.max() / 2.0for i, j in itertools.product(range(cmtx.shape[0]), range(cmtx.shape[1])):color = "white" if cmtx[i, j] > threshold else "black"plt.text(j,i,format(cmtx[i, j], ".2f") if cmtx[i, j] != 0 else ".",horizontalalignment="center",color=color,)plt.tight_layout()plt.ylabel("True label")plt.xlabel("Predicted label")return figure
在tensorboard中添加混淆矩阵
将plot_confusion_matrix返回的绘制图像显示在tensorboard中。
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriterdef add_confusion_matrix(writer,cmtx,num_classes,global_step=None,subset_ids=None,class_names=None,tag="Confusion Matrix",figsize=None,
):"""Calculate and plot confusion matrix to a SummaryWriter.Args:writer (SummaryWriter): the SummaryWriter to write the matrix to.cmtx (ndarray): confusion matrix.num_classes (int): total number of classes.global_step (Optional[int]): current step.subset_ids (list of ints): a list of label indices to keep.class_names (list of strs, optional): a list of all class names.tag (str or list of strs): name(s) of the confusion matrix image.figsize (Optional[float, float]): the figure size of the confusion matrix.If None, default to [6.4, 4.8]."""if subset_ids is None or len(subset_ids) != 0:# If class names are not provided, use class indices as class names.if class_names is None:class_names = [str(i) for i in range(num_classes)]# If subset is not provided, take every classes.if subset_ids is None:subset_ids = list(range(num_classes))sub_cmtx = cmtx[subset_ids, :][:, subset_ids]sub_names = [class_names[j] for j in subset_ids]sub_cmtx = plot_confusion_matrix(sub_cmtx,num_classes=len(subset_ids),class_names=sub_names,figsize=figsize,)# Add the confusion matrix image to writer.writer.add_figure(tag=tag, figure=sub_cmtx, global_step=global_step)
在训练过程中绘制混淆矩阵
model.train()# 预测值和标注值,用于绘制混淆矩阵preds=[]labels=[]for i, (inputs, targets) in enumerate(data_loader):targets = targets.to(device, non_blocking=True)#shape: (n_batch,)try:outputs = model(inputs)#shape: (n_batch,n_classes)loss = criterion(outputs, targets) # 需将tensor从gpu转到cpu上preds.append(outputs.cpu())labels.append(targets.cpu())acc,recall = calculate_precision_and_recall(outputs, targets,pos_label=0)losses.update(float(loss.item()), inputs.size(0))accuracies.update(float(acc), inputs.size(0))recalls.update(float(recall), inputs.size(0))#total_loss+=float(loss.item())optimizer.zero_grad()loss.backward()optimizer.step()"""混淆矩阵可视化"""preds = torch.cat(preds,dim=0)labels = torch.cat(labels,dim=0)cmtx = get_confusion_matrix(preds,labels,len(class_names))add_confusion_matrix(tb_writer,cmtx,num_classes=len(class_names),class_names=class_names,tag="Train Confusion Matrix",figsize=[10,8])
https://scikit-learn.org/stable/auto_examples/model_selection/plot_confusion_matrix.html ↩︎
https://github.com/facebookresearch/SlowFast/tree/master/slowfast/visualization ↩︎
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