如何进行mAP计算的思考

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1. 基本要求

从直观理解，一个目标检测网络性能好，主要有以下表现：

• 把画面中的目标都检测到——漏检少

• 背景不被检测为目标——误检少

• 目标类别符合实际——分类准

• 目标框与物体的边缘贴合度高—— 定位准

• 满足运行效率的要求——算得快

下图是从 Tensorflow Object Detection API 的 Model Zoo 中截取的部分模型列表。

算得快这一点通过 Speed来体现。而其他因素，使用了mAP(mean average Precision) 这一个指标来综合体现。

mean 和 average 都有平均的意思，因此从字面理解，mAP 指标至少从两个方面进行了平均。

2. mAP指标计算

mAP的计算大致可以分解为以下几步：

阶段	输出	关键变量
针对单个目标	TP、FP、FN	IOU（交并比）
针对单个类别	PR-Curve、AP	Confidence（置信度）
针对测试集全集	mAP

2.1 输出检测结果

针对不同类型的目标检测网络，模型推理的原始输出可能的形式多种多样。

首先需要完成目标解码，生成标准化的目标列表，至少包含每个目标的：

• 类别

• 2DBBox

• 置信度

这里的置信度与推理使用时的置信度阈值有差别，没有固定的阈值，只要在该通道有响应，都输出为目标。

不同类型的网络，置信度数值的含义也不同，因此也无法设定一个统一的阈值。

2.2 针对单个目标

针对单个目标，问题简化为分类结果的判定。

首先将 GT(Ground Truth) 和 Predictions分别按照各自的类别分组。

在每一个类别内，对 GT和 Predictions两组数据进行匹配，匹配的依据是 IOU。

匹配结果可能有如下几种：

• TP(True Positive)：一个正确的检测，IOU ≥ threshold。即预测的目标分类正确，且边框与 GT 重合度够高。

• FP(False Positive)：一个错误的检测，没有匹配上 GT 的目标，或IOU < threshold。即预测的目标分类不正确，或边框与 GT 重合度不够高。

• FN(False Negative)：漏检的 GT。即没有被匹配上目标的 Ground Truth。

2.3 针对单个类别

完成对整个测试集上每个目标的判断后，分类别统计 Precision和 Recall：

• Precision：准确率（查准率），模型只找正确目标的能力。

  Precision = TP / (TP + FP)，其中 TP+FP 即模型找到的所有目标。

• Recall：召回率（查全率），模型找到所有目标的能力。

  Recall = TP / (TP + FN)，其中 TP+FN 即所有的 GT。

在单个目标的处理步骤中，只需要记录TP。则对于所有检测目标，非TP即为FP，对于所有 GT，非TP即为FN。

当设定不同的 Confidence 阈值时，输出的检测目标数量不同，由此计算得到的 Precision和 Recall也不同。

根据不同的阈值，可以得到一系列 Precision和 Recall的值，连起来即可得到PR曲线。

在实际操作中，将所有目标按照置信度从高到低排序，每一步都只累加一个目标，统计当前的P-R值。

PR曲线示例如上图所示。

PR曲线会有折线的原因。每累加一步，如果：

• 当前累加的目标是FP，则 Recall 值不变， Precision 值变小，对应图中竖直向下的线段；

• 当前累加的目标是TP，则 Recall 和 Precision 都变大，对应图中斜向右上方的线段。

2.4 针对全集

至此，针对每一个类别，都计算得到一条PR曲线。

PR曲线与x轴所围成的面积，即为当前类别的AP值。

Average 是指对不同 Confidence 阈值下的结果进行平均。

所有类别AP值的均值，即为 mAP。

mean 是指对不同类别之间结果进行平均。

3. 存在问题及改进思路

3.1 问题

（1）误检/漏检少、分类准、定位准，这些要求并没有在 mAP 的整个计算过程中一直传导到最终结果。

首先按照目标类别进行分类处理。

在对单个目标的处理中，将IOU作为匹配的指标，将检测到的目标二分类为TP/FP。在选定IOU阈值后，TP/FP的分配也就确定了。在后续的步骤中，目标被抽象为正确/错误两类，但正确或错误的程度被忽略了。

下图为 IOU=0.5 时的极限情况示意：

类似的IOU值实际可能代表的不同情况：

在对所有目标的处理中，主要考察不同的 Confidence 阈值下，检测出正确目标的能力。

因此，误检/漏检少、分类准、定位准这几个要求是按照一种串行的方式，分阶段组织起来的。

（2）问题是多样化的，只用一个指标，没法知道目前的性能瓶颈在哪里。

根据 mAP 的高低，我们只能较为概括地知道网络整体性能的好坏，但比较难分析问题具体在哪。

举几个例子：

• 如果网络输出的框很贴合，选择合适的 Confidence 阈值时，检出和召回也较均衡，但是目标的类别判断错误较多。由于首先根据类别结果分类处理，只要类别错了，定位、检出和召回都很好，mAP 指标也不会高。但从结果观察，并不能很明确知道，问题出在类别判断上。

  比如 Faster-RCNN 系列网络，如果 RPN 部分效果很好，但是 RCNN 部分效果很差，只根据 mAP， 是无法判断出来的。

• 如果两个网络的其他性能表现都类似，但是输出框的定位精度不同。对于大部分判定为 TP 的目标，一个网络的目标 IOU 值很高，框非常贴合 GT；另一个网络的目标 IOU 值刚刚超过阈值。理论上这样两个网络计算出来的 mAP 值是类似的，但实际使用的表现是有差别的。

（3）mAP 指标关注的点，与实际应用时关注的点，并不完全吻合

mAP 会统计所有 Confidence 值下的 PR值，而实际使用时，会设定一个 Confidence 阈值，低于该阈值的目标会被丢弃，这部分目标在统计 mAP 时也会有一定的贡献。部分针对比赛刷榜的涨点技巧，会关注这部分检测结果对 mAP 的影响。

此外，在 ADAS 应用（特别是车辆检测）中一些比较关心的点，mAP 指标并没有很好地体现。比如：

• 最关心正前方近处的目标，对远处侧面的目标关注度相对低

• 关注目标框的下沿和宽度，而对上沿的要求不高

• 关注连续帧中，同一个目标检测结果的稳定性和连续性

• 不同的类别错判，严重程度不同（比如卡车误判为客车问题不大，行人误判为车辆问题就比较大）

3.2 改进

（1）考察不同 IOU 阈值下的性能表现

在 VOC 标准的 mAP 计算中，只取 IOU=0.5 一个阈值。

MS-COCO 标准对此进行了改进，取0.5:0.05:0.95等间隔的11个阈值，分别统计：

• AP：在所有11个 IOU 阈值上计算出来的 mAP 的均值（最主要的度量指标）

• AP@.5IOU：阈值取0.5时的 mAP 值（等价于 VOC mAP）

• AP@.75IOU：阈值取0.75时的 mAP 值

此外还针对目标大小分别进行了统计：

• AP（small）：像素面积小于32^2的目标，在所有11个 IOU 阈值上的AP

• AP（medium）：像素面积介于32^2和96^2之间的目标，在所有11个 IOU 阈值上的AP

• AP（large）：像素面积大于96^2的目标，在所有11个 IOU 阈值上的AP

此外，还有 AR (Average Recall)相关的一系列指标。

可见， COCO mAP对检测性能进行了更全面的评估，改进了单一 IOU 阈值的问题。

COCO mAP 的计算可以直接使用pycocotools，将检测结果按照规定的格式提供，即可自动完成计算。

（2）统一训练和评测的指标

在网络训练过程中，location 分支的输出通常会用IOU Loss去进行优化，目前已经升级到DIOU或CIOU。

那么在测试过程中，也可以将 IOU 指标替换为类似 DIOU 或 CIOU 的版本，实现更合理的评价，以及训练和评测的统一。

（3）设计更多自定义的指标

mAP是一个基准指标，属于规定动作，可以用来比较不同网络，包括与开源模型、外部团队开发的模型等进行比较。

此外，基于我们关心的模型性能表现，可以设计一些额外的指标。包括：

• mAP 计算过程中，可拆分出来的的一些中间指标

• mAP 没有涵盖到的指标

（4）模型使用时的阈值选择

使用模型进行推理时，在目标解码过程中涉及 Confidence 阈值的选取。通常是采用一刀切的方式，选择一个统一的阈值。

在 mAP 的计算过程中，会输出每个类别的PR曲线。一个典型PR曲线的示意如下：

根据PR曲线，既可以找到一个数学意义上的最优点，也可以根据实际使用时，对于误检和漏检的不同容忍程度，选定一个权衡值。

可以根据每个类别的不同情况，选取不同的 Confidence 阈值，来让每一个类别的检测结果达到最优。

在实际操作中，可先根据 class 通道的结果，判定类别，再根据 conf 通道的结果和不同的阈值，筛选检出的目标。

对于类别性质差异较大，类别不均衡现象较为严重的案例，可以实现更理想的输出。

比如，在ADAS应用中，对于车辆目标、行人目标、交通标识目标的识别要求可能存在差异。根据各自的PR曲线去定制阈值，是一个更合理的选择。

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