【MATLAB第49期】基于MATLAB的深度学习ResNet-18网络不平衡图像数据分类识别模型

news2024/11/15 3:26:03

【MATLAB第49期】基于MATLAB的深度学习ResNet-18网络不平衡图像数据分类识别模型

一、基本介绍

这篇文章展示了如何使用不平衡训练数据集对图像进行分类，其中每个类的图像数量在类之间不同。两种最流行的解决方案是down-sampling降采样和over-sampling过采样。

在降采样中，每个类别的图像数量减少到所有类别中的最小图像数量。降采样的实现很容易：只需使用splitEachLabel函数并指定类的最小数量，

另一方面，当执行过采样时，每个类别的图像数量增加。这两种策略对于不平衡的数据集都是有效的。然而，过采样需要更复杂的过程。

本篇文章采用过采样平衡数据。
在这里插入图片描述

       Label        Count
_____________    _____
caesar_salad       13 
caprese_salad       8 
french_fries       91 
greek_salad        12 
hamburger         119 
hot_dog            16 
pizza             150 
sashimi            20 
sushi              62

过采样结果：

Label        Count
_____________    _____
caesar_salad      150 
caprese_salad     150 
french_fries      150 
greek_salad       150 
hamburger         150 
hot_dog           150 
pizza             150 
sashimi           150 
sushi             150

二、数据情况

食品图像数据集包含九类食物的978张照片（ceaser_salad、caprese_salad，french_fries、greek_saland、汉堡包、hot_dog、披萨、生鱼片和寿司）。

数据集可在下列地址下载
https://www.mathworks.com/supportfiles/nnet/data/ExampleFoodImageDataset.zip

本文为了提高运行速度，选择80%训练， 10%验证，10%测试。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

三、代码展示

1.导入数据

imds = imageDatastore('ExampleFoodImageDataset');

2.图像数据展示

numExample=16;
idx = randperm(numel(imds.Files),numExample);
for i=1:numExample
    I=readimage(imds,idx(i));
    I_tile{i}=insertText(I,[1,1],string(imds.Labels(idx(i))),'FontSize',20);
end
% use imtile function to tile out the example images
I_tile = imtile(I_tile);
figure()
imshow(I_tile);title('examples of the dataset')

3.数据集划分（训练80%，验证10%，测试10%）

[imdsTrain, imdsValid,imdsTest]=splitEachLabel(imds,0.8,0.1,0.1);

4.选取最大样本数

PerClass是所有类中的最大样本数。

PerClass = max(numObservations);

5.平衡数据

randReplicateFiles是一个仅对文件进行混洗的支持功能。
要选择的图像数量由PerClass定义。从数据库中找到不同类别的图像目录，然后随机复制对应的图像至对应的数量，以平衡类中的图像数量。

files = splitapply(@(x){randReplicateFiles(x,desiredNumObservationsPerClass)},imdsTrain.Files,G);

6.构建网络
加载预先训练的模型，ResNet-18

net = resnet18;
inputSize = net.Layers(1).InputSize;
lgraph = layerGraph(net);
learnableLayer='fc1000';
classLayer='ClassificationLayer_predictions';

7.图像增强

定义图像增强器
pixelRange = [-30 30];
RotationRange = [-30 30];
scaleRange = [0.8 1.2];
imageAugmenter = imageDataAugmenter( ...
    'RandXReflection',true, ...
    'RandXTranslation',pixelRange, ...
    'RandYTranslation',pixelRange, ...
    'RandXScale',scaleRange, ...
    'RandYScale',scaleRange, ...
    'RandRotation',RotationRange ...
    );

在这里插入图片描述

8.设置网络参数

miniBatchSize = 64;
valFrequency = max(floor(numel(augimdsTest.Files)/miniBatchSize)*10,1);
options = trainingOptions('sgdm', ...
    'MiniBatchSize',miniBatchSize, ...
    'MaxEpochs',5, ...%30
    'InitialLearnRate',1e-2, ...%3e-4
    'Shuffle','every-epoch', ...
    'ValidationData',augimdsValid, ...
    'ValidationFrequency',valFrequency, ...
    'Verbose',false, ...
    'Plots','training-progress');

9.训练网络

net = trainNetwork(augimdsTrain,lgraph,options);

10.分类评估

[YPred,probs] = classify(net,augimdsTest);
accuracy = mean(YPred == imdsTest.Labels)
YValidation = imdsTest.Labels;
YTrue=imdsTest.Labels;
figure;cm=confusionchart(YTrue,YPred);