機器學習之分類性能度量指標 : ROC曲線、AUC值、正確率、召回率

https://zhwhong.cn/2017/04/14/ROC-AUC-Precision-Recall-analysis/

在分類任務中，人們總是喜歡基於錯誤率來衡量分類器任務的成功程度。錯誤率指的是在所有測試樣例中錯分的樣例比例。實際上，這樣的度量錯誤掩蓋了樣例如何被分錯的事實。在機器學習中，有一個普遍適用的稱為混淆矩陣(confusion matrix)的工具，它可以幫助人們更好地了解分類中的錯誤。

比如有這樣一個在房子周圍可能發現的動物類型的預測，這個預測的三類問題的混淆矩陣如下表所示：

利用混淆矩陣可以充分理解分類中的錯誤了。如果混淆矩陣中的非對角線元素均為0，就會得到一個近乎完美的分類器。

在接下來的討論中，將以經典的二分類問題為例，對於多分類類比推斷。

二分類問題在機器學習中是一個很常見的問題，經常會用到。ROC (Receiver Operating Characteristic) 曲線和 AUC (Area Under the Curve) 值常被用來評價一個二值分類器 (binary classifier) 的優劣。之前做醫學圖像計算機輔助肺結節檢測時，在評定模型預測結果時，就用到了ROC和AUC，這里簡單介紹一下它們的特點，以及更為深入地，討論如何作出ROC曲線圖和計算AUC值。

一、醫學圖像識別二分類問題

針對一個二分類問題，我們將實例分成正類(positive)和負類(negative)兩種。

例如：在肺結節計算機輔助識別這一問題上，一幅肺部CT圖像中有肺結節被認為是陽性(positive)，沒有肺結節被認為是陰性(negative)。對於部分有肺結節的示意圖如下：

所以在實際檢測時，就會有如下四種情況：

(1) 真陽性(True Positive，TP)：檢測有結節，且實際有結節；正確肯定的匹配數目；
(2) 假陽性(False Positive，FP)：檢測有結節，但實際無結節；誤報，給出的匹配是不正確的；
(3) 真陰性(True Negative，TN)：檢測無結節，且實際無結節；正確拒絕的非匹配數目；
(4) 假陰性(False Negative，FN)：檢測無結節，但實際有結節；漏報，沒有正確找到的匹配的數目。

詳細圖解（原創，轉載請標明出處）如下：

上圖中涉及到很多相關概念及參數，詳細請見Wiki上的定義及其混淆矩陣。

這里整理肺結節識別中的幾個主要參數指標如下：

• 正確率(Precision)：

 

Precision=TPTP+FPPrecision=TPTP+FP

 

• 真陽性率(True Positive Rate，TPR)，靈敏度(Sensitivity)，召回率(Recall)：

 

Sensitivity=Recall=TPR=TPTP+FNSensitivity=Recall=TPR=TPTP+FN

 

• 真陰性率(True Negative Rate，TNR)，特異度(Specificity)：

 

Specificity=TNR=TNFP+TNSpecificity=TNR=TNFP+TN

 

• 假陰性率(False Negatice Rate，FNR)，漏診率( = 1 - 靈敏度)：

 

FNR=FNTP+FNFNR=FNTP+FN

 

• 假陽性率(False Positice Rate，FPR)，誤診率( = 1 - 特異度)：

 

FPR=FPFP+TNFPR=FPFP+TN

 

• 陽性似然比(Positive Likelihood Ratio (LR+))：

 

LR+=TPRFPR=Sensitivity1−SpecificityLR+=TPRFPR=Sensitivity1−Specificity

 

• 陰性似然比(Negative Likelihood Ratio (LR−) )：

 

LR−=FNRTNR=1−SensitivitySpecificityLR−=FNRTNR=1−SensitivitySpecificity

 

• Youden指數(Youden index)：

 

Youden index=Sensitivity+Specificity−1=TPR−FPRYouden index=Sensitivity+Specificity−1=TPR−FPR

 

二、ROC曲線

ROC曲線：接收者操作特征曲線(receiver operating characteristic curve)，是反映敏感性和特異性連續變量的綜合指標，roc曲線上每個點反映着對同一信號刺激的感受性。

對於分類器或者說分類算法，評價指標主要有precision，recall，F1 score等，以及這里要討論的ROC和AUC。下圖是一個ROC曲線的示例：

• 橫坐標：1-Specificity，偽正類率(False positive rate， FPR)，預測為正但實際為負的樣本占所有負例樣本 的比例；
• 縱坐標：Sensitivity，真正類率(True positive rate， TPR)，預測為正且實際為正的樣本占所有正例樣本 的比例。

在一個二分類模型中，假設采用邏輯回歸分類器，其給出針對每個實例為正類的概率，那么通過設定一個閾值如0.6，概率大於等於0.6的為正類，小於0.6的為負類。對應的就可以算出一組(FPR,TPR)，在平面中得到對應坐標點。隨着閾值的逐漸減小，越來越多的實例被划分為正類，但是這些正類中同樣也摻雜着真正的負實例，即TPR和FPR會同時增大。閾值最大時，對應坐標點為(0,0)，閾值最小時，對應坐標點(1,1)。

如下面這幅圖，(a)圖中實線為ROC曲線，線上每個點對應一個閾值。

(a) 理想情況下，TPR應該接近1，FPR應該接近0。ROC曲線上的每一個點對應於一個threshold，對於一個分類器，每個threshold下會有一個TPR和FPR。比如Threshold最大時，TP=FP=0，對應於原點；Threshold最小時，TN=FN=0，對應於右上角的點(1,1)。
(b) P和N得分不作為特征間距離d的一個函數，隨着閾值theta增加，TP和FP都增加。

• 橫軸FPR：1-TNR，1-Specificity，FPR越大，預測正類中實際負類越多。
• 縱軸TPR：Sensitivity(正類覆蓋率)，TPR越大，預測正類中實際正類越多。
• 理想目標：TPR=1，FPR=0，即圖中(0,1)點，故ROC曲線越靠攏(0,1)點，越偏離45度對角線越好，Sensitivity、Specificity越大效果越好。

隨着閾值threshold調整，ROC坐標系里的點如何移動可以參考：

三、如何畫ROC曲線

對於一個特定的分類器和測試數據集，顯然只能得到一個分類結果，即一組FPR和TPR結果，而要得到一個曲線，我們實際上需要一系列FPR和TPR的值，這又是如何得到的呢？我們先來看一下Wikipedia上對ROC曲線的定義：

In signal detection theory, a receiver operating characteristic (ROC), or simply ROC curve, is a graphical plot which illustrates the performance of a binary classifier system as its discrimination threshold is varied.

問題在於“as its discrimination threashold is varied”。如何理解這里的“discrimination threashold”呢？我們忽略了分類器的一個重要功能“概率輸出”，即表示分類器認為某個樣本具有多大的概率屬於正樣本（或負樣本）。通過更深入地了解各個分類器的內部機理，我們總能想辦法得到一種概率輸出。通常來說，是將一個實數范圍通過某個變換映射到(0,1)區間。

假如我們已經得到了所有樣本的概率輸出（屬於正樣本的概率），現在的問題是如何改變“discrimination threashold”？我們根據每個測試樣本屬於正樣本的概率值從大到小排序。下圖是一個示例，圖中共有20個測試樣本，“Class”一欄表示每個測試樣本真正的標簽（p表示正樣本，n表示負樣本），“Score”表示每個測試樣本屬於正樣本的概率。

接下來，我們從高到低，依次將“Score”值作為閾值threshold，當測試樣本屬於正樣本的概率大於或等於這個threshold時，我們認為它為正樣本，否則為負樣本。舉例來說，對於圖中的第4個樣本，其“Score”值為0.6，那么樣本1，2，3，4都被認為是正樣本，因為它們的“Score”值都大於等於0.6，而其他樣本則都認為是負樣本。每次選取一個不同的threshold，我們就可以得到一組FPR和TPR，即ROC曲線上的一點。這樣一來，我們一共得到了20組FPR和TPR的值，將它們畫在ROC曲線的結果如下圖：

當我們將threshold設置為1和0時，分別可以得到ROC曲線上的(0,0)和(1,1)兩個點。將這些(FPR,TPR)對連接起來，就得到了ROC曲線。當threshold取值越多，ROC曲線越平滑。

其實，我們並不一定要得到每個測試樣本是正樣本的概率值，只要得到這個分類器對該測試樣本的“評分值”即可（評分值並不一定在(0,1)區間）。評分越高，表示分類器越肯定地認為這個測試樣本是正樣本，而且同時使用各個評分值作為threshold。我認為將評分值轉化為概率更易於理解一些。

四、AUC

AUC值的計算

AUC (Area Under Curve) 被定義為ROC曲線下的面積，顯然這個面積的數值不會大於1。又由於ROC曲線一般都處於y=x這條直線的上方，所以AUC的取值范圍一般在0.5和1之間。使用AUC值作為評價標准是因為很多時候ROC曲線並不能清晰的說明哪個分類器的效果更好，而作為一個數值，對應AUC更大的分類器效果更好。

AUC的計算有兩種方式，梯形法和ROC AUCH法，都是以逼近法求近似值，具體見wikipedia。

AUC意味着什么

那么AUC值的含義是什么呢？根據(Fawcett, 2006)，AUC的值的含義是：

The AUC value is equivalent to the probability that a randomly chosen positive example is ranked higher than a randomly chosen negative example.

這句話有些繞，我嘗試解釋一下：首先AUC值是一個概率值，當你隨機挑選一個正樣本以及一個負樣本，當前的分類算法根據計算得到的Score值將這個正樣本排在負樣本前面的概率就是AUC值。當然，AUC值越大，當前的分類算法越有可能將正樣本排在負樣本前面，即能夠更好的分類。

從AUC判斷分類器（預測模型）優劣的標准：

• AUC = 1，是完美分類器，采用這個預測模型時，存在至少一個閾值能得出完美預測。絕大多數預測的場合，不存在完美分類器。
• 0.5 < AUC < 1，優於隨機猜測。這個分類器（模型）妥善設定閾值的話，能有預測價值。
• AUC = 0.5，跟隨機猜測一樣（例：丟銅板），模型沒有預測價值。
• AUC < 0.5，比隨機猜測還差；但只要總是反預測而行，就優於隨機猜測。

三種AUC值示例：

簡單說：AUC值越大的分類器，正確率越高。

為什么使用ROC曲線

既然已經這么多評價標准，為什么還要使用ROC和AUC呢？因為ROC曲線有個很好的特性：當測試集中的正負樣本的分布變化的時候，ROC曲線能夠保持不變。在實際的數據集中經常會出現類不平衡(class imbalance)現象，即負樣本比正樣本多很多(或者相反)，而且測試數據中的正負樣本的分布也可能隨着時間變化。下圖是ROC曲線和Precision-Recall曲線的對比：

在上圖中，(a)和(c)為ROC曲線，(b)和(d)為Precision-Recall曲線。(a)和(b)展示的是分類其在原始測試集(正負樣本分布平衡)的結果，(c)和(d)是將測試集中負樣本的數量增加到原來的10倍后，分類器的結果。可以明顯的看出，ROC曲線基本保持原貌，而Precision-Recall曲線則變化較大。

Reference

• Wikipedia：Receiver operating characteristic
• 孔明的博客：ROC和AUC介紹以及如何計算AUC
• Rachel Zhang的專欄(CSDN)：ROC曲線-閾值評價標准
• 博客園dzl_ML：機器學習之分類器性能指標之ROC曲線、AUC值
• 知乎：精確率、召回率、F1 值、ROC、AUC 各自的優缺點是什么？