昇思25天学习打卡营第15天|基于MobileNetv2的垃圾分类

news2024/12/28 9:00:39

一、关于MobileNetv2

MobileNet网络专注于移动端、嵌入式或IoT设备的轻量级CNN网络。MobileNet网络使用深度可分离卷积（Depthwise Separable Convolution）的思想在准确率小幅度降低的前提下，大大减小了模型参数与运算量。并引入宽度系数 α和分辨率系数 β使模型满足不同应用场景的需求。

因为MobileNet网络中Relu激活函数处理低维特征信息时会存在大量的丢失，所以MobileNetV2网络提出使用倒残差结构（Inverted residual block）和Linear Bottlenecks来设计网络，以提高模型的准确率，且优化后的模型更小。
在这里插入图片描述

二、MobileNetV2模型构建

使用MindSpore定义MobileNetV2网络的各模块时需要继承mindspore.nn.Cell。Cell是所有神经网络（Conv2d等）的基类。

__all__ = ['MobileNetV2', 'MobileNetV2Backbone', 'MobileNetV2Head', 'mobilenet_v2']

def _make_divisible(v, divisor, min_value=None):
    if min_value is None:
        min_value = divisor
    new_v = max(min_value, int(v + divisor / 2) // divisor * divisor)
    if new_v < 0.9 * v:
        new_v += divisor
    return new_v

class GlobalAvgPooling(nn.Cell):
    """
    Global avg pooling definition.

    Args:

    Returns:
        Tensor, output tensor.

    Examples:
        >>> GlobalAvgPooling()
    """

    def __init__(self):
        super(GlobalAvgPooling, self).__init__()

    def construct(self, x):
        x = P.mean(x, (2, 3))
        return x

class ConvBNReLU(nn.Cell):
    """
    Convolution/Depthwise fused with Batchnorm and ReLU block definition.

    Args:
        in_planes (int): Input channel.
        out_planes (int): Output channel.
        kernel_size (int): Input kernel size.
        stride (int): Stride size for the first convolutional layer. Default: 1.
        groups (int): channel group. Convolution is 1 while Depthiwse is input channel. Default: 1.

    Returns:
        Tensor, output tensor.

    Examples:
        >>> ConvBNReLU(16, 256, kernel_size=1, stride=1, groups=1)
    """

    def __init__(self, in_planes, out_planes, kernel_size=3, stride=1, groups=1):
        super(ConvBNReLU, self).__init__()
        padding = (kernel_size - 1) // 2
        in_channels = in_planes
        out_channels = out_planes
        if groups == 1:
            conv = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride, pad_mode='pad', padding=padding)
        else:
            out_channels = in_planes
            conv = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride, pad_mode='pad',
                             padding=padding, group=in_channels)

        layers = [conv, nn.BatchNorm2d(out_planes), nn.ReLU6()]
        self.features = nn.SequentialCell(layers)

    def construct(self, x):
        output = self.features(x)
        return output

class InvertedResidual(nn.Cell):
    """
    Mobilenetv2 residual block definition.

    Args:
        inp (int): Input channel.
        oup (int): Output channel.
        stride (int): Stride size for the first convolutional layer. Default: 1.
        expand_ratio (int): expand ration of input channel

    Returns:
        Tensor, output tensor.

    Examples:
        >>> ResidualBlock(3, 256, 1, 1)
    """

    def __init__(self, inp, oup, stride, expand_ratio):
        super(InvertedResidual, self).__init__()
        assert stride in [1, 2]

        hidden_dim = int(round(inp * expand_ratio))
        self.use_res_connect = stride == 1 and inp == oup

        layers = []
        if expand_ratio != 1:
            layers.append(ConvBNReLU(inp, hidden_dim, kernel_size=1))
        layers.extend([
            ConvBNReLU(hidden_dim, hidden_dim,
                       stride=stride, groups=hidden_dim),
            nn.Conv2d(hidden_dim, oup, kernel_size=1,
                      stride=1, has_bias=False),
            nn.BatchNorm2d(oup),
        ])
        self.conv = nn.SequentialCell(layers)
        self.cast = P.Cast()

    def construct(self, x):
        identity = x
        x = self.conv(x)
        if self.use_res_connect:
            return P.add(identity, x)
        return x

class MobileNetV2Backbone(nn.Cell):
    """
    MobileNetV2 architecture.

    Args:
        class_num (int): number of classes.
        width_mult (int): Channels multiplier for round to 8/16 and others. Default is 1.
        has_dropout (bool): Is dropout used. Default is false
        inverted_residual_setting (list): Inverted residual settings. Default is None
        round_nearest (list): Channel round to . Default is 8
    Returns:
        Tensor, output tensor.

    Examples:
        >>> MobileNetV2(num_classes=1000)
    """

    def __init__(self, width_mult=1., inverted_residual_setting=None, round_nearest=8,
                 input_channel=32, last_channel=1280):
        super(MobileNetV2Backbone, self).__init__()
        block = InvertedResidual
        # setting of inverted residual blocks
        self.cfgs = inverted_residual_setting
        if inverted_residual_setting is None:
            self.cfgs = [
                # t, c, n, s
                [1, 16, 1, 1],
                [6, 24, 2, 2],
                [6, 32, 3, 2],
                [6, 64, 4, 2],
                [6, 96, 3, 1],
                [6, 160, 3, 2],
                [6, 320, 1, 1],
            ]

        # building first layer
        input_channel = _make_divisible(input_channel * width_mult, round_nearest)
        self.out_channels = _make_divisible(last_channel * max(1.0, width_mult), round_nearest)
        features = [ConvBNReLU(3, input_channel, stride=2)]
        # building inverted residual blocks
        for t, c, n, s in self.cfgs:
            output_channel = _make_divisible(c * width_mult, round_nearest)
            for i in range(n):
                stride = s if i == 0 else 1
                features.append(block(input_channel, output_channel, stride, expand_ratio=t))
                input_channel = output_channel
        features.append(ConvBNReLU(input_channel, self.out_channels, kernel_size=1))
        self.features = nn.SequentialCell(features)
        self._initialize_weights()

    def construct(self, x):
        x = self.features(x)
        return x

    def _initialize_weights(self):
        """
        Initialize weights.

        Args:

        Returns:
            None.

        Examples:
            >>> _initialize_weights()
        """
        self.init_parameters_data()
        for _, m in self.cells_and_names():
            if isinstance(m, nn.Conv2d):
                n = m.kernel_size[0] * m.kernel_size[1] * m.out_channels
                m.weight.set_data(Tensor(np.random.normal(0, np.sqrt(2. / n),
                                                          m.weight.data.shape).astype("float32")))
                if m.bias is not None:
                    m.bias.set_data(
                        Tensor(np.zeros(m.bias.data.shape, dtype="float32")))
            elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                m.gamma.set_data(
                    Tensor(np.ones(m.gamma.data.shape, dtype="float32")))
                m.beta.set_data(
                    Tensor(np.zeros(m.beta.data.shape, dtype="float32")))

    @property
    def get_features(self):
        return self.features

class MobileNetV2Head(nn.Cell):
    """
    MobileNetV2 architecture.

    Args:
        class_num (int): Number of classes. Default is 1000.
        has_dropout (bool): Is dropout used. Default is false
    Returns:
        Tensor, output tensor.

    Examples:
        >>> MobileNetV2(num_classes=1000)
    """

    def __init__(self, input_channel=1280, num_classes=1000, has_dropout=False, activation="None"):
        super(MobileNetV2Head, self).__init__()
        # mobilenet head
        head = ([GlobalAvgPooling(), nn.Dense(input_channel, num_classes, has_bias=True)] if not has_dropout else
                [GlobalAvgPooling(), nn.Dropout(0.2), nn.Dense(input_channel, num_classes, has_bias=True)])
        self.head = nn.SequentialCell(head)
        self.need_activation = True
        if activation == "Sigmoid":
            self.activation = nn.Sigmoid()
        elif activation == "Softmax":
            self.activation = nn.Softmax()
        else:
            self.need_activation = False
        self._initialize_weights()

    def construct(self, x):
        x = self.head(x)
        if self.need_activation:
            x = self.activation(x)
        return x

    def _initialize_weights(self):
        """
        Initialize weights.

        Args:

        Returns:
            None.

        Examples:
            >>> _initialize_weights()
        """
        self.init_parameters_data()
        for _, m in self.cells_and_names():
            if isinstance(m, nn.Dense):
                m.weight.set_data(Tensor(np.random.normal(
                    0, 0.01, m.weight.data.shape).astype("float32")))
                if m.bias is not None:
                    m.bias.set_data(
                        Tensor(np.zeros(m.bias.data.shape, dtype="float32")))
    @property
    def get_head(self):
        return self.head

class MobileNetV2(nn.Cell):
    """
    MobileNetV2 architecture.

    Args:
        class_num (int): number of classes.
        width_mult (int): Channels multiplier for round to 8/16 and others. Default is 1.
        has_dropout (bool): Is dropout used. Default is false
        inverted_residual_setting (list): Inverted residual settings. Default is None
        round_nearest (list): Channel round to . Default is 8
    Returns:
        Tensor, output tensor.

    Examples:
        >>> MobileNetV2(backbone, head)
    """

    def __init__(self, num_classes=1000, width_mult=1., has_dropout=False, inverted_residual_setting=None, \
        round_nearest=8, input_channel=32, last_channel=1280):
        super(MobileNetV2, self).__init__()
        self.backbone = MobileNetV2Backbone(width_mult=width_mult, \
            inverted_residual_setting=inverted_residual_setting, \
            round_nearest=round_nearest, input_channel=input_channel, last_channel=last_channel).get_features
        self.head = MobileNetV2Head(input_channel=self.backbone.out_channel, num_classes=num_classes, \
            has_dropout=has_dropout).get_head

    def construct(self, x):
        x = self.backbone(x)
        x = self.head(x)
        return x

class MobileNetV2Combine(nn.Cell):
    """
    MobileNetV2Combine architecture.

    Args:
        backbone (Cell): the features extract layers.
        head (Cell):  the fully connected layers.
    Returns:
        Tensor, output tensor.

    Examples:
        >>> MobileNetV2(num_classes=1000)
    """

    def __init__(self, backbone, head):
        super(MobileNetV2Combine, self).__init__(auto_prefix=False)
        self.backbone = backbone
        self.head = head

    def construct(self, x):
        x = self.backbone(x)
        x = self.head(x)
        return x

def mobilenet_v2(backbone, head):
    return MobileNetV2Combine(backbone, head)

加载ImageNet数据上预训练的MobileNetv2进行Fine-tuning，只训练最后修改的FC层，并在训练过程中保存Checkpoint。预训练模型资源下载。

def switch_precision(net, data_type):
    if ms.get_context('device_target') == "Ascend":
        net.to_float(data_type)
        for _, cell in net.cells_and_names():
            if isinstance(cell, nn.Dense):
                cell.to_float(ms.float32)

三、垃圾分类数据集

数据集下载：pip install download

from download import download

# 下载data_en数据集
url = "https://ascend-professional-construction-dataset.obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com:443/MindStudio-pc/data_en.zip" 
path = download(url, "./", kind="zip", replace=True)

在这里插入图片描述

数据集标签：

# 垃圾分类数据集标签，以及用于标签映射的字典。
garbage_classes = {
    '干垃圾': ['贝壳', '打火机', '旧镜子', '扫把', '陶瓷碗', '牙刷', '一次性筷子', '脏污衣服'],
    '可回收物': ['报纸', '玻璃制品', '篮球', '塑料瓶', '硬纸板', '玻璃瓶', '金属制品', '帽子', '易拉罐', '纸张'],
    '湿垃圾': ['菜叶', '橙皮', '蛋壳', '香蕉皮'],
    '有害垃圾': ['电池', '药片胶囊', '荧光灯', '油漆桶']
}

class_cn = ['贝壳', '打火机', '旧镜子', '扫把', '陶瓷碗', '牙刷', '一次性筷子', '脏污衣服',
            '报纸', '玻璃制品', '篮球', '塑料瓶', '硬纸板', '玻璃瓶', '金属制品', '帽子', '易拉罐', '纸张',
            '菜叶', '橙皮', '蛋壳', '香蕉皮',
            '电池', '药片胶囊', '荧光灯', '油漆桶']
class_en = ['Seashell', 'Lighter','Old Mirror', 'Broom','Ceramic Bowl', 'Toothbrush','Disposable Chopsticks','Dirty Cloth',
            'Newspaper', 'Glassware', 'Basketball', 'Plastic Bottle', 'Cardboard','Glass Bottle', 'Metalware', 'Hats', 'Cans', 'Paper',
            'Vegetable Leaf','Orange Peel', 'Eggshell','Banana Peel',
            'Battery', 'Tablet capsules','Fluorescent lamp', 'Paint bucket']

index_en = {'Seashell': 0, 'Lighter': 1, 'Old Mirror': 2, 'Broom': 3, 'Ceramic Bowl': 4, 'Toothbrush': 5, 'Disposable Chopsticks': 6, 'Dirty Cloth': 7,
            'Newspaper': 8, 'Glassware': 9, 'Basketball': 10, 'Plastic Bottle': 11, 'Cardboard': 12, 'Glass Bottle': 13, 'Metalware': 14, 'Hats': 15, 'Cans': 16, 'Paper': 17,
            'Vegetable Leaf': 18, 'Orange Peel': 19, 'Eggshell': 20, 'Banana Peel': 21,
            'Battery': 22, 'Tablet capsules': 23, 'Fluorescent lamp': 24, 'Paint bucket': 25}

数据集：

def create_dataset(dataset_path, config, training=True, buffer_size=1000):
    """
    create a train or eval dataset

    Args:
        dataset_path(string): the path of dataset.
        config(struct): the config of train and eval in diffirent platform.

    Returns:
        train_dataset, val_dataset
    """
    data_path = os.path.join(dataset_path, 'train' if training else 'test')
    ds = de.ImageFolderDataset(data_path, num_parallel_workers=4, class_indexing=config.class_index)
    resize_height = config.image_height
    resize_width = config.image_width
    
    normalize_op = C.Normalize(mean=[0.485*255, 0.456*255, 0.406*255], std=[0.229*255, 0.224*255, 0.225*255])
    change_swap_op = C.HWC2CHW()
    type_cast_op = C2.TypeCast(mstype.int32)

    if training:
        crop_decode_resize = C.RandomCropDecodeResize(resize_height, scale=(0.08, 1.0), ratio=(0.75, 1.333))
        horizontal_flip_op = C.RandomHorizontalFlip(prob=0.5)
        color_adjust = C.RandomColorAdjust(brightness=0.4, contrast=0.4, saturation=0.4)
    
        train_trans = [crop_decode_resize, horizontal_flip_op, color_adjust, normalize_op, change_swap_op]
        train_ds = ds.map(input_columns="image", operations=train_trans, num_parallel_workers=4)
        train_ds = train_ds.map(input_columns="label", operations=type_cast_op, num_parallel_workers=4)
        
        train_ds = train_ds.shuffle(buffer_size=buffer_size)
        ds = train_ds.batch(config.batch_size, drop_remainder=True)
    else:
        decode_op = C.Decode()
        resize_op = C.Resize((int(resize_width/0.875), int(resize_width/0.875)))
        center_crop = C.CenterCrop(resize_width)
        
        eval_trans = [decode_op, resize_op, center_crop, normalize_op, change_swap_op]
        eval_ds = ds.map(input_columns="image", operations=eval_trans, num_parallel_workers=4)
        eval_ds = eval_ds.map(input_columns="label", operations=type_cast_op, num_parallel_workers=4)
        ds = eval_ds.batch(config.eval_batch_size, drop_remainder=True)

    return ds

其中config参数：

# 训练超参
config = EasyDict({
    "num_classes": 26,
    "image_height": 224,
    "image_width": 224,
    #"data_split": [0.9, 0.1],
    "backbone_out_channels":1280,
    "batch_size": 32,
    "eval_batch_size": 32,
    "epochs": 100,
    "lr_max": 0.05,
    "momentum": 0.9,
    "weight_decay": 1e-4,
    "save_ckpt_epochs": 1,
    "dataset_path": "./data_en",
    "class_index": index_en,
    "pretrained_ckpt": "./mobilenetV2-200_1067.ckpt" # mobilenetV2-200_1067.ckpt 
})

四、模型推理

下载训练好的MobileNetv2-垃圾分类模型。然后，预测你的图片。

CKPT="save_mobilenetV2_model.ckpt"

def image_process(image):
    """Precess one image per time.
    
    Args:
        image: shape (H, W, C)
    """
    mean=[0.485*255, 0.456*255, 0.406*255]
    std=[0.229*255, 0.224*255, 0.225*255]
    image = (np.array(image) - mean) / std
    image = image.transpose((2,0,1))
    img_tensor = Tensor(np.array([image], np.float32))
    return img_tensor

def infer_one(network, image_path):
    image = Image.open(image_path).resize((config.image_height, config.image_width))
    logits = network(image_process(image))
    pred = np.argmax(logits.asnumpy(), axis=1)[0]
    print(image_path, class_en[pred])

def infer():
    backbone = MobileNetV2Backbone(last_channel=config.backbone_out_channels)
    head = MobileNetV2Head(input_channel=backbone.out_channels, num_classes=config.num_classes)
    network = mobilenet_v2(backbone, head)
    load_checkpoint(CKPT, network)
    for i in range(91, 100):
        infer_one(network, f'data_en/test/Cardboard/000{i}.jpg')
infer()

五、导出AIR/GEIR/ONNX模型文件

backbone = MobileNetV2Backbone(last_channel=config.backbone_out_channels)
head = MobileNetV2Head(input_channel=backbone.out_channels, num_classes=config.num_classes)
network = mobilenet_v2(backbone, head)
load_checkpoint(CKPT, network)

input = np.random.uniform(0.0, 1.0, size=[1, 3, 224, 224]).astype(np.float32)
# export(network, Tensor(input), file_name='mobilenetv2.air', file_format='AIR')
# export(network, Tensor(input), file_name='mobilenetv2.pb', file_format='GEIR')
export(network, Tensor(input), file_name='mobilenetv2.onnx', file_format='ONNX')

六、资源下载

1.预训练模型MobileNetv2.
2.MobileNetv2-垃圾分类模型下载。

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