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一、垃圾分类
还记得去年，上海如火如荼进行的垃圾分类政策吗？
2020年5月1日起，北京也开始实行「垃圾分类」了！
北京的垃圾分类标准与上海略有差别，垃圾分为厨余垃圾、可回收物、有害垃圾和其他垃圾四大类，分别对应四种不同颜色的垃圾桶，即绿色、蓝色、红色和灰色。
继上海之后，北京也迈入了“垃圾强制分类时代”。
垃圾分类，最变态的地方还是日本。
日本把垃圾分为资源、可燃、不可燃、危险、塑料、金属和粗大，这 7 大类垃圾。
并规定了回收站每天允许回收的垃圾种类，比如如周一收资源的，周二收塑料的。居民要在指定时间、指定地点丢垃圾。像桌子衣柜这些大件垃圾还要交钱才能扔。
敢乱扔垃圾的垃圾最多还可能吃 5 年牢饭并罚上 1000 万日元！
不过，有 24 小时在线发牌打理家务的家庭主妇，人家可以每天花上半小时去搞垃圾分类，然后照样有时间去刷刷抖音，打打农药，看看小电影啥的。
现在，中国一线城市的“社畜”们，干着 996 的活，又要操起“日本主妇的心”。
一家一个码农就够惨了，一家双码农那就是「惨上加惨」，下班一个比一个晚。
上海实行「垃圾分类」已经快一年了，不知近况如何？
疫情前，曾去上海玩过一次，一个很明显的感受是垃圾分类确实是井然有序地进行着，租住的民宿摆放了 4 个垃圾桶，吃剩的垃圾都需要动动脑子才知道怎么丢。
不过，也在小区附近看到，分类垃圾桶旁，随意堆放的未分类的垃圾。
北京通知开始实施「垃圾分类」快一个月了，我所居住的小区在市中心，小区内还没有见到分类垃圾箱，倒是公告张贴了很多，应该还处于宣传阶段。
不过公司里，倒是开始垃圾分类了，看来是从企业开始行动，然后再到个人。
随着政策的完善，支持力度的加大，不知若干年后，是否会出现一家提供垃圾分类服务的家政公司？
二、垃圾分类助手
吐槽归吐槽，人们总归要随着时代的发展而顺势前行。
好在，一些 APP 或者小程序已经为我们准备好了查询工具。
查询方式无非三种形式：文字、语音、图片。
好多家，都有类似的产品。
你可以查询 「996加班掉落的头发是什么垃圾」，也可以查询「夜宵必备的小龙虾是什么垃圾」。
比如，腾讯有个微信小程序，叫「垃圾分类精灵」；
百度 APP 相机识别入口有个 tag ，叫「识垃圾」。
支付宝有个小程序，叫「垃圾分类指南」。
都支持文字、语音、图片的垃圾分类识别。
上海刚实行垃圾分类的时候，淘宝的「拍立淘」也有垃圾分类识别入口，不过现在貌似已经下线了。
垃圾分类哪家强，体验一下就知道了。
三、垃圾分类技术
垃圾识别背后的技术是什么呢？
文字和语音的都相对简单，文本匹配即可，语音多了一个音频转文本的步骤。
基于图片的垃圾识别就要难不少。
比如，卫生纸你可以弄成各种形状，团成一团，或者撕成一条一条。
甚至，可以把蛋糕恶趣味地做成「便便」的样子。
让算法通过图片去识别这些东西，显然有些难为算法。
目前，使用深度学习分类算法去识别垃圾种类，还是比较难做好的。
一般都是采用多级分类模型或检索，搭建的超大分类网络，比如 1 万多类物体识别，甚至 10 万。
然后根据类别标签做映射，映射到最终的垃圾类别。
底层技术实现，其实还是多分类。
垃圾分类不同于通用的图像识别，通用图像识别的「鱼」，可能是一条在水中自由自在嬉戏的金鱼。
而垃圾分类识别的「鱼」，则很可能是一个躺在餐盘里仅剩躯干骨的鱼骨头。
弄个合适的数据集，也是一门技术活。
数据集获取一般可以通过以下 3 个渠道：
- 写爬虫，爬各大网站的图片数据，然后使用自己的接口清洗或者人工标注；
- 将需求提交给数据标注团队，花经费标注数据。
前两个是要么得有技术、要么得有钱。
- 最后一个方法，就得碰运气了。翻论文，找公开数据集，或者去 AI 比赛网站或者 AI 开放平台碰碰运气。
比赛，比如可以去 Kaggle 搜一搜数据集。
AI 开放平台，可以去 AI Studio看看。
URL：https://aistudio.baidu.com/aistudio/datasetoverview
在 AI Studio 我搜索到了不错的垃圾分类数据集。
一共 56528 张图片，214 类，总共 7.13 GB。
URL：https://aistudio.baidu.com/aistudio/datasetdetail/30982
瞧，运气不错，找到了一个不错的数据集。
下载速度也很给力，10 MB/s。
本文使用这个数据集，训练一个简单的垃圾分类模型。
四、数据处理
垃圾数据都放在了名字为「垃圾图片库」的文件夹里。
首先，我们需要写个脚本根据文件夹名，生成对应的标签文件（dir_label.txt）。
前面是小分类标签，后面是大分类标签。
然后再将数据集分为训练集（train.txt）、验证集（val.txt）、测试集（test.txt）。
训练集和验证集用于训练模型，测试集用于验收最终模型效果。
此外，在使用图片训练之前还需要检查下图片质量，使用 PIL 的 Image 读取，捕获 Error 和 Warning 异常，对有问题的图片直接删除即可。
写个脚本生成三个 txt 文件，训练集 48045 张，验证集 5652 张，测试集 2826 张。
脚本很简单，代码就不贴了，直接提供处理好的文件。
处理好的四个 txt 文件可以直接下载。
下载地址：点击查看
将四个 txt 文件放到和「垃圾图片库」的相同目录下即可。
有了前几篇教程的基础，写个数据读取的代码应该很轻松吧。
编写 dataset.py 读取数据，看一下效果。
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读取 train.txt 文件，加载数据。数据预处理，是将图片等比例填充到尺寸为 224 * 224 的纯黑色图片上，然后再 resize 到 224 * 224 的尺寸。
这是图片分类里，很常规的一种预处理方法。
此外，针对训练集，使用 pytorch 的 transforms 添加了水平翻转和垂直翻转的随机操作，这也是很常见的一种数据增强方法。
运行结果：
OK，搞定！开始写训练代码！
五、垃圾分类初体验
我们使用一个常规的网络 ResNet50 ，这是一个非常常见的提取特征的网络结构。
整个训练过程也很简单，训练步骤不清楚的，可以看我上两篇教程：
《Pytorch深度学习实战教程（四）：必知必会的炼丹法宝》
创建 train.py 文件，编写如下代码：
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训练集的 DataLoader model - 模型 criterion - 损失函数 optimizer - 优化器 epoch - 进行第几个 epoch writer - 用于写 tensorboardX """ batch_time = AverageMeter() data_time = AverageMeter() losses = AverageMeter() top1 = AverageMeter() top5 = AverageMeter() # switch to train mode model.train() end = time.time() for i, (input, target) in enumerate(train_loader): # measure data loading time data_time.update(time.time() - end) input = input.cuda() target = target.cuda() # compute output output = model(input) loss = criterion(output, target) # measure accuracy and record loss [prec1, prec5], class_to = accuracy(output, target, topk=(1, 5)) losses.update(loss.item(), input.size(0)) top1.update(prec1[0], input.size(0)) top5.update(prec5[0], input.size(0)) # compute gradient and do SGD step optimizer.zero_grad() loss.backward() optimizer.step() # measure elapsed time batch_time.update(time.time() - end) end = time.time() if i % 10 == 0: print('Epoch: [{0}][{1}/{2}]\t' 'Time {batch_time.val:.3f} ({batch_time.avg:.3f})\t' 'Data {data_time.val:.3f} ({data_time.avg:.3f})\t' 'Loss {loss.val:.4f} ({loss.avg:.4f})\t' 'Prec@1 {top1.val:.3f} ({top1.avg:.3f})\t' 'Prec@5 {top5.val:.3f} ({top5.avg:.3f})'.format( epoch, i, len(train_loader), batch_time=batch_time, data_time=data_time, loss=losses, top1=top1, top5=top5)) writer.add_scalar('loss/train_loss', losses.val, global_step=epoch) def validate(val_loader, model, criterion, epoch, writer, phase="VAL"): """ 验证代码 参数： val_loader - 验证集的 DataLoader model - 模型 criterion - 损失函数 epoch - 进行第几个 epoch writer - 用于写 tensorboardX """ batch_time = AverageMeter() losses = AverageMeter() top1 = AverageMeter() top5 = AverageMeter() # switch to evaluate mode model.eval() with torch.no_grad(): end = time.time() for i, (input, target) in enumerate(val_loader): input = input.cuda() target = target.cuda() # compute output output = model(input) loss = criterion(output, target) # measure accuracy and record loss [prec1, prec5], class_to = accuracy(output, target, topk=(1, 5)) losses.update(loss.item(), input.size(0)) top1.update(prec1[0], input.size(0)) top5.update(prec5[0], input.size(0)) # measure elapsed time batch_time.update(time.time() - end) end = time.time() if i % 10 == 0: print('Test-{0}: [{1}/{2}]\t' 'Time {batch_time.val:.3f} ({batch_time.avg:.3f})\t' 'Loss {loss.val:.4f} ({loss.avg:.4f})\t' 'Prec@1 {top1.val:.3f} ({top1.avg:.3f})\t' 'Prec@5 {top5.val:.3f} ({top5.avg:.3f})'.format( phase, i, len(val_loader), batch_time=batch_time, loss=losses, top1=top1, top5=top5)) print(' * {} Prec@1 {top1.avg:.3f} Prec@5 {top5.avg:.3f}' .format(phase, top1=top1, top5=top5)) writer.add_scalar('loss/valid_loss', losses.val, global_step=epoch) return top1.avg, top5.avg class AverageMeter(object): """Computes and stores the average and current value""" def __init__(self): self.reset() def reset(self): self.val = 0 self.avg = 0 self.sum = 0 self.count = 0 def update(self, val, n=1): self.val = val self.sum += val * n self.count += n self.avg = self.sum / self.count if __name__ == "__main__": # -------------------------------------------- step 1/4 : 加载数据 --------------------------- train_dir_list = 'train.txt' valid_dir_list = 'val.txt' batch_size = 64 epochs = 80 num_classes = 214 train_data = Garbage_Loader(train_dir_list, train_flag=True) valid_data = Garbage_Loader(valid_dir_list, train_flag=False) train_loader = DataLoader(dataset=train_data, num_workers=8, pin_memory=True, batch_size=batch_size, shuffle=True) valid_loader = DataLoader(dataset=valid_data, num_workers=8, pin_memory=True, batch_size=batch_size) train_data_size = len(train_data) print('训练集数量：%d' % train_data_size) valid_data_size = len(valid_data) print('验证集数量：%d' % valid_data_size) # ------------------------------------ step 2/4 : 定义网络 ------------------------------------ model = models.resnet50(pretrained=True) fc_inputs = model.fc.in_features model.fc = nn.Linear(fc_inputs, num_classes) model = model.cuda() # ------------------------------------ step 3/4 : 定义损失函数和优化器等 ------------------------- lr_init = 0.0001 lr_stepsize = 20 weight_decay = 0.001 criterion = nn.CrossEntropyLoss().cuda() optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=lr_init, weight_decay=weight_decay) scheduler = torch.optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=lr_stepsize, gamma=0.1) writer = SummaryWriter('runs/resnet50') # ------------------------------------ step 4/4 : 训练 ----------------------------------------- best_prec1 = 0 for epoch in range(epochs): scheduler.step() train(train_loader, model, criterion, optimizer, epoch, writer) # 在验证集上测试效果 valid_prec1, valid_prec5 = validate(valid_loader, model, criterion, epoch, writer, phase="VAL") is_best = valid_prec1 > best_prec1 best_prec1 = max(valid_prec1, best_prec1) save_checkpoint({ 'epoch': epoch + 1, 'arch': 'resnet50', 'state_dict': model.state_dict(), 'best_prec1': best_prec1, 'optimizer' : optimizer.state_dict(), }, is_best, filename='checkpoint_resnet50.pth.tar') writer.close() |
代码并不复杂，网络结构直接使 torchvision 的 ResNet50 模型，并且采用 ResNet50 的预训练模型。算法采用交叉熵损失函数，优化器选择 Adam，并采用 StepLR 进行学习率衰减。
保存模型的策略是选择在验证集准确率最高的模型。
batch size 设为 64，GPU 显存大约占 8G，显存不够的，可以调整 batch size 大小。
模型训练完成，就可以写测试代码了，看下效果吧！
创建 infer.py 文件，编写如下代码：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 | from dataset import Garbage_Loader from torch.utils.data import DataLoader import torchvision.transforms as transforms from torchvision import models import torch.nn as nn import torch import os import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt #%matplotlib inline os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"] = "0" def softmax(x): exp_x = np.exp(x) softmax_x = exp_x / np.sum(exp_x, 0) return softmax_x with open('dir_label.txt', 'r', encoding='utf-8') as f: labels = f.readlines() labels = list(map(lambda x:x.strip().split('\t'), labels)) if __name__ == "__main__": test_list = 'test.txt' test_data = Garbage_Loader(test_list, train_flag=False) test_loader = DataLoader(dataset=test_data, num_workers=1, pin_memory=True, batch_size=1) model = models.resnet50(pretrained=False) fc_inputs = model.fc.in_features model.fc = nn.Linear(fc_inputs, 214) model = model.cuda() # 加载训练好的模型 checkpoint = torch.load('model_best_checkpoint_resnet50.pth.tar') model.load_state_dict(checkpoint['state_dict']) model.eval() for i, (image, label) in enumerate(test_loader): src = image.numpy() src = src.reshape(3, 224, 224) src = np.transpose(src, (1, 2, 0)) image = image.cuda() label = label.cuda() pred = model(image) pred = pred.data.cpu().numpy()[0] score = softmax(pred) pred_id = np.argmax(score) plt.imshow(src) print('预测结果：', labels[pred_id][0]) plt.show() |
这里需要注意的是，DataLoader 读取的数据需要进行通道转换，才能显示。
预测结果：
怎么样？还算简单吧？
赶快训练一个自己「垃圾分类器」体验一下吧！
六、总结
- 本文从实战出发，讲解了怎么训练一个自己的「垃圾分类器」。
- baseline 已经提供，提升精度，就是一些细节上的优化了。
- 训练好的模型，关注微信公众号，后台回复「垃圾分类」获取。
PS：文中出现的所有代码，均可在我的 github 上下载，欢迎 Follow、Star：点击查看
2022年5月11日 上午11:07 11楼
您好！请问在运行dataset的时候出现 FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: ‘垃圾图片库/可回收物_泡沫盒子/img_泡沫盒子_11.jpeg’ 是什么问题呢
2023年11月24日 下午2:08 1层
@酸辣土豆丝 你好解决了吗