深度学习验证指标计算Torchmetrics包

TorchMetrics可以为我们提供一种简单、干净、高效的方式来处理验证指标。TorchMetrics提供了许多现成的指标实现，如Accuracy, Dice, F1 Score, Recall, MAE等等，几乎最常见的指标都可以在里面找到。torchmetrics目前已经包好了80+任务评价指标。
官方参考文档

TorchMetrics安装也非常简单，只需要PyPI安装最新版本:

pip install torchmetrics

基本流程介绍

在训练时我们都是使用微批次训练，对于TorchMetrics也是一样的，在一个批次前向传递完成后将目标值Y和预测值Y_PRED传递给torchmetrics的度量对象，度量对象会计算批次指标并保存它(在其内部被称为state)。

当所有的批次完成时(也就是训练的一个Epoch完成)，我们就可以从度量对象返回最终结果(这是对所有批计算的结果)。这里的每个度量对象都是从metric类继承，它包含了4个关键方法:

• metric.forward(pred，target)——更新度量状态并返回当前批次上计算的度量结果。如果您愿意，也可以使用metric(pred, target)，没有区别;
• metric.update(pred，target)——与forward相同，但是不会返回计算结果，相当于是只将结果存入了state。如果不需要在当前批处理上计算出的度量结果，则优先使用这个方法，因为他不计算最终结果速度会很快;
• metric.compute( )——返回在所有批次上计算的最终结果。也就是说其实forward相当于是update+compute;
• metric.reset( )——重置状态，以便为下一个验证阶段做好准备。

也就是说：在我们训练的当前批次，获得了模型的输出后可以forward或update（建议使用update）。在批次完成后，调用compute以获取最终结果。最后，在验证轮次（Epoch）或者启用新的轮次进行训练时您调用reset重置状态指标。
例如下面的代码：

import torch
import torchmetrics
 
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
model = YourModel().to(device)
metric = torchmetrics.Accuracy()
 
for batch_idx, (data, target) in enumerate(val_dataloader):
   data, target = data.to(device), target.to(device)
   output = model(data)
   # metric on current batch
   batch_acc = metric.update(preds, target)
   print(f"Accuracy on batch {i}: {batch_acc}")
 
# metric on all batches using custom accumulation
val_acc = metric.compute()
print(f"Accuracy on all data: {val_acc}")
 
# Resetting internal state such that metric is ready for new data

MetricCollection

在上面的示例中，使用了单个指标进行计算，但一般情况下可能会包含多个指标。Torchmetrics提供了MetricCollection可以将多个指标包装成单个可调用类，其接口与上面的基本用法相同。这样我们就无需单独处理每个指标。
代码如下：

import torch
from torchmetrics import MetricCollection, Accuracy, Precision, Recall
 
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
model = YourModel().to(device)
# collection of all validation metrics
metric_collection = MetricCollection({
   'acc': Accuracy(),
   'prec': Precision(num_classes=10, average='macro'),
    'rec': Recall(num_classes=10, average='macro')
})
 
for batch_idx, (data, target) in enumerate(val_dataloader):
   data, target = data.to(device), target.to(device)
   output = model(data)
   batch_metrics = metric_collection.forward(preds, target)
   print(f"Metrics on batch {i}: {batch_metrics}")
 
val_metrics = metric_collection.compute()
print(f"Metrics on all data: {val_metrics}")
metric.reset()

也可以使用列表而不是字典，但是使用字典会更加清晰。

自定义指标

虽然Torchmetrics包含了很多常见的指标，但是有时我们还需要自己定义一些不常用的特定指标。我们只需要继承 Metric 类并且实现 update 和 computing 方法就可以了，另外就是需要在类初始化的时候使用self.add_state(state_name, default)来初始化我们的对象。
代码如下：

import torch
import torchmetrics
 
class MyAccuracy(Metric):
   def __init__(self, delta):
       super().__init__()
       # to count the correct predictions
       self.add_state('corrects', default=torch.tensor(0))
       # to count the total predictions
       self.add_state('total', default=torch.tensor(0))
 
   def update(self, preds, target):
       # update correct predictions count
       self.correct += torch.sum(preds == target)
       # update total count, numel() returns the total number of elements
       self.total += target.numel()
 
   def compute(self):
       # final computation
       return self.correct / self.total