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如何在Keras中自定义机器学习性能指标

toyiye 2024-07-09 22:47 11 浏览 0 评论

Keras提供的指标使我们能够评估深度学习模型的性能。由于Keras提供了大量指标,因此为生产模型选择理想指标是一项复杂的工作。在某些情况下,您可能必须自定义指标(因为Keras根本无法提供所需的指标),这会影响模型的最终性能。

在本教程中,我们不会深入探讨每一个指标或何时使用它,我们将使用Keras构建几个简单的自定义指标,以进行二元分类。

请始终参考下面的混淆矩阵以了解其余内容。

首先,我们从导入必要的Python库开始。

import keras.backend as K

精度(Precision)

def precision(y_true, y_pred):
    true_positives = K.sum(K.round(K.clip(y_true * y_pred, 0, 1)))
    predicted_positives = K.sum(K.round(K.clip(y_pred, 0, 1)))
    return true_positives / (predicted_positives + K.epsilon())

我们需要记住,y_true和y_pred的操作不是NumPy数组,而是Theano或Tensorflow张量。这就是为什么我们将Keras后端提供的操作用于指标的原因。

召回率(Recall)或灵敏度(Sensitivity)

def recall(y_true, y_pred): 
    true_positives = K.sum(K.round(K.clip(y_true * y_pred, 0, 1)))
    possible_positives = K.sum(K.round(K.clip(y_true, 0, 1)))
    return true_positives / (possible_positives + K.epsilon())

特异性(Specificity)

def specificity(y_true, y_pred):
    true_negatives = K.sum(K.round(K.clip((1 - y_true) * (1 - y_pred), 0, 1)))
    possible_negatives = K.sum(K.round(K.clip(1 - y_true, 0, 1)))
    return true_negatives / (possible_negatives + K.epsilon())

F beta分数

def f_beta_m(y_true, y_pred):
    beta = 1
    precision = precision_m(y_true, y_pred)
    recall = recall_m(y_true, y_pred)
    numer = (1 + beta ** 2) * (precision * recall)
    denom = ((beta ** 2) * precision) + recall + K.epsilon()
    return numer / denom

在F-beta分数中选择beta时,您越想关注召回率而不是精度,应该选择更高的beta。例如,对于F1分数,我们同样关心recall和precision,对于F2分数,recall对我们来说是两倍重要。

在0 <beta <1的情况下,我们更关注精度,因此阈值越高,F beta得分越高。当beta> 1时,我们的最佳阈值朝着更低的阈值移动,当beta = 1时,它处于中间位置。

特异性(Specificity)/灵敏度(Sensitivity)

它是特异性和灵敏度的平均值,我们将其称为average_metric。请注意,灵敏度与前面定义的recall是同一个函数。

def average_metric(y_true, y_pred):
    spec = specificity(y_true, y_pred)
    sens = sensitivity(y_true, y_pred)
    return  0.5 * (spec + sens)

另外,为了确保我的模型不会在某个类上过度拟合,我倾向于在average_metric中添加一个条件操作,我们将调用新指标conditional_average_metric。这背后的直觉是监测灵敏度和特异性的值,如果它们中的任何一个下降到某个水平以下,那么我们将大幅降低所述度量的最终值。

之所以这样做,是因为在训练模型时,Keras并没有在每个epoch之后保存每个模型,而是为我们提供了监视度量的选项,并根据监视的数量保存最新的最佳模型。

def conditional_average_metric(y_true, y_pred):
    spec = specificity(y_true, y_pred)
    sens = sensitivity(y_true, y_pred)

    minimum = K.minimum(spec, sens)
    condition = K.less(minimum, 0.5)

    multiplier = 0.001
    # This is the constant used to substantially lower
    # the final value of the metric and it can be set to any value
    # but it is recommended to be much lower than 0.5

    result_greater = 0.5 * (spec + sens)
    result_lower = multiplier * (spec + sens)
    result = K.switch(condition, result_lower, result_greater)

    return result

使用首选指标定义机器学习模型

首先,建立模型并选择您想要监视的首选指标。我们将在这个例子中继续有三个指标,即conditional_average_metric,specificity,sensitivity。

model = Sequential()
.....
model.add(Dense(1))
model.add(Activation('sigmoid'))
model.compile(optimizer, loss='binary_crossentropy', metrics=[conditional_average_metric, specificity, sensitivity])

训练机器学习模型并保存最佳模型

尽管我们在训练过程中使用了三个指标,但我们应该仅选择其中一个指标,即conditional_average_metric,来保存基于它的模型。训练模型时,基于监视指标的最佳性能模型将自动保存到指定路径。

monitor = 'val_conditional_average_metric'
checkpoint = ModelCheckpoint(model_path, monitor=monitor, verbose=1, save_best_only=True, mode='max')
callbacks_list = [checkpoint]
history = model.fit(trainX, trainY, epochs=epochs, batch_size=batch_size, validation_data=(testX, testY),callbacks=callbacks_list)

加载预训练机器学习模型

完成训练过程后,我们可以按如下所示再次加载机器学习模型。

model = load_model(model_path, custom_objects={'conditional_average_metric': conditional_average_metric, 'specificity': specificity, 'sensitivity': sensitivity})

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