【AI达人训练营第三期】手工搭建Resnet101分类道路情况

本文介绍基于ResNet101神经网络的道路垃圾识别项目。先说明智慧环卫背景及项目意义，接着阐述数据集处理过程，包括解压缩、分离训练集与测试集、预处理及自定义数据集，还讲解了ResNet101网络搭建、训练（优化器、损失函数及训练过程）与预测阶段的实现，可减少环卫劳动力。

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1.前言

1.1.交流

学习深度学习不是简单的过程，好的开始是成功的一半，我当时学的时候也是一头雾水，只有坚持下去，就能成功，这篇文章我想给到写一个最基本的深度学习项目的一个思想。有什么错误，欢迎指正。有什么问题，也可以留言。

如果有什么看不懂的地方就从官网文档下手！只有官网文档才是最详细的讲解。

模型入门开发

paddle指令详细讲解!

1.2.项目背景

环境卫生是城市的名片，智慧环卫更是智慧城市中不可缺少的板块。随着作业严格化、服务综合化、人口老龄化等趋势的发展，环卫行业面临诸多新问题和新挑战，而AI技术的发展成为一大助力，帮助环卫智能升级，实现设施智能化、运营管理信息化、分析决策智慧化。对于现在严峻的环境，保护环境是根本的问题。

1.3.项目介绍

基于resnet101神经网络，通过对道路的分类，分类出有垃圾的道路和干净的道路。基础此可以大大减少这方面的劳动力。

2.数据集处理

2.1.数据集解压缩

首先想要训练一个神经网络，至少要有数据集，所以我们要从这里开始！、

解压缩数据集，默认压缩为目前路径。后面也可跟-d 完整路径/相对路径

In [2]

! unzip -oq /home/aistudio/data/data199856/archive.zip

2.2.数据集分离训练集和测试集

该项目时通过自己自定义数据集，所以要通过代码实现图片路径和所对应的标签的分别写入train文本文档和text文本文档。在这里我是1：4的比例分离测试集和训练集。 其中会有.ipynb_checkpoints这样的文件，.ipynb_checkpoints 是 Jupyter Notebook 为了自动保存文件而创建的文件夹。当你在 Jupyter Notebook 中编辑并保存 notebook 文件时，系统会自动创建一个 .ipynb_checkpoints 文件夹，并在其中保存当前 notebook 的副本。这样，在意外关闭 Jupyter Notebook 或系统崩溃时，就可以使用这些副本恢复已经编辑过的内容。所以我们要在写到txt当中的时候，我们要将该文件删除。该文件找不到，因为它隐藏了。

os模块都是关于对文件系统操作的一个模块。其目的用于建立文件，获取文件中的一些信息。用处较多。

In [1]

import osimport cv2basedir=r'/home/aistudio/Images/Images' #基础文件list_dir=os.listdir(basedir) #获取图片文件夹中的图片名称并存放到列表中if '.ipynb_checkpoints' in list_dir: #如果含有该文件，删除该文件，防止写入txt文件当中    list_dir.remove('.ipynb_checkpoints')clean=[];ditty=[]for i in list_dir:    if 'clean' in i :        clean.append(i)    else:        ditty.append(i)    #以1：4的比例划分训练集以及测试集with open('test_label.txt','w') as file: #写测试集的图片路径以及所对应的标签    for i in range(int(len(clean)/5)):        file.write(f'{clean[i]} 0n')    for j in range(int(len(ditty)/5)):        file.write(f'{ditty[j]} 1n')with open('train_label.txt','w') as file: #写训练集的图片路径以及所对应的标签    for i in range(int(len(clean)/5),len(clean)):        file.write(f'{clean[i]} 0n')    for j in range(int(len(ditty)/5),len(ditty)):        file.write(f'{ditty[j]} 1n')

2.3.数据预处理

在训练之前时，要进行数据预处理，数据预处理如下:

RandomResizedCrop是将输入图像按照随机大小和长宽比进行裁剪

RandomHorizontalFlip是基于概率来执行图片的水平翻转

ToTsensor将 PIL.Image 或 numpy.ndarray 转换成 paddle.Tensor。

Normalize是将输入数据调整为指定大小。

Compose是将用于数据集预处理的接口以列表的方式进行组合。

如果有其他想知道可以去官网看

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

官方文档数据预处理

In [4]

import paddle.vision.transforms as transformsdata_transform = {    "train": transforms.Compose([transforms.RandomResizedCrop(224),                                 transforms.RandomHorizontalFlip(),                                 transforms.ToTensor(),                                 transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))]),    "val": transforms.Compose([transforms.Resize((224, 224)),                               transforms.ToTensor(),                               transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])}

2.4.使用 paddle.io.Dataset 自定义数据集

本项目需要自己的数据集，即道路检测数据集，定义如下，不是完全的与文档一样，文档中是将图片灰度形式返回。如果用文档中直接套的话，会报错，因为我在数据预处理是增加了RandomResizedCrop，该处理的是3维图片，灰度图不能被处理。下面的注释也很清楚的介绍哪一步是干什么的。

In [8]

import osimport cv2import numpy as npfrom paddle.io import Datasetimport matplotlib.pyplot as plttrain_data_dir='/home/aistudio/Images/Images'test_data_dir='/home/aistudio/Images/Images'test_label='/home/aistudio/test_label.txt'train_label='/home/aistudio/train_label.txt'class MyDataset(Dataset):    """    步骤一：继承 paddle.io.Dataset 类    """    def __init__(self, data_dir, label_path, transform=None):        """        步骤二：实现 __init__ 函数，初始化数据集，将样本和标签映射到列表中        """        super(MyDataset, self).__init__()        self.data_list = []        with open(label_path,encoding='utf-8') as f:            for line in f.readlines():                image_path, label = line.strip().split(' ')                image_path = os.path.join(data_dir, image_path)                self.data_list.append([image_path, label])        # 传入定义好的数据处理方法，作为自定义数据集类的一个属性        self.transform = transform    def __getitem__(self, index):        """        步骤三：实现 __getitem__ 函数，定义指定 index 时如何获取数据，并返回单条数据（样本数据、对应的标签）        """        # 根据索引，从列表中取出一个图像        image_path, label = self.data_list[index]        # 读取图片        image = cv2.imread(image_path)        # 飞桨训练时内部数据格式默认为float32，将图像数据格式转换为 float32        image = image.astype('float32')        # 应用数据处理方法到图像上        if self.transform is not None:            image = self.transform(image)        # CrossEntropyLoss要求label格式为int，将Label格式转换为 int        label = int(label)        # 返回图像和对应标签        return image, label    def __len__(self):        """        步骤四：实现 __len__ 函数，返回数据集的样本总数        """        return len(self.data_list)        # 打印数据集样本数        train_custom_dataset = MyDataset(train_data_dir,train_label, data_transform['train'])test_custom_dataset = MyDataset(test_data_dir,test_label, data_transform['val'])print('train_custom_dataset images: ',len(train_custom_dataset), 'test_custom_dataset images: ',len(test_custom_dataset))for data in train_custom_dataset:    image, label = data    print('shape of image: ',image.shape)    plt.title(str(label))    plt.imshow(image[0])    plt.show()      break

train_custom_dataset images:  192 test_custom_dataset images:  46shape of image:  [3, 224, 224]

如果输出时有爆红，不用担心是错误，这是警告。而我们用的Python3.7一些代码将在python3.8中不被使用。在运行两次次就不会显示了

1.5.使用 paddle.io.DataLoader 定义数据读取器

上述的操作只是将我们的数据构造成了训练数据集和测试数据集

下面的操作是将迭代读取数据集，只有这样子才可以放到神经网络中进行‘ 炼丹 ’。

In [7]

import paddletrain_loader = paddle.io.DataLoader(train_custom_dataset, batch_size=32, shuffle=True, num_workers=1, drop_last=True)test_loader = paddle.io.DataLoader(test_custom_dataset, batch_size=32, shuffle=True, num_workers=1, drop_last=True)for batch_id, data in enumerate(train_loader()): #打印训练数据的shape 以及bachsize的数目    images, labels = data    print("batch_id: {}, 训练数据shape: {}, 标签数据shape: {}".format(batch_id, images.shape, labels.shape))    breakfor batch_id, data in enumerate(test_loader()): #打印测试数据的shape 以及bachsize的数目    images, labels = data    print("batch_id: {}, 测试数据shape: {}, 标签数据shape: {}".format(batch_id, images.shape, labels.shape))    break

batch_id: 0, 训练数据shape: [32, 3, 224, 224], 标签数据shape: [32]batch_id: 0, 测试数据shape: [32, 3, 224, 224], 标签数据shape: [32]

3.Resnet网络

3.1.什么是resnet网络

ResNet 网络是在 2015年 由微软实验室中的何凯明等几位大神提出，斩获当年ImageNet竞赛中分类任务第一名，目标检测第一名。获得COCO数据集中目标检测第一名，图像分割第一名。resnet模型可以说是最经典的模型，它的残差结构到现在也在使用。所以该项目就以它来作为神经网络

3.2.网络中的亮点

1.超深的网络结构（可以超过1000层）。 2.提出residual（残差结构）模块。 3.使用Batch Normalization 加速训练（丢弃dropout）。

3.3.网络特点residual结构

esidual结构使用了一种shortcut的连接方式，也可理解为捷径。让特征矩阵隔层相加，注意F(X)和X形状要相同，所谓相加是特征矩阵相同位置上的数字进行相加。

3.4.手工搭建神经网络

上面的数据集处理基本完成，现在我们需要一个搭建好的‘容器’去让这些数据放里面并且进行训练。

基本的网络结构就是如下

开始搭建网络!

搭建网络的时候要通过看上面网络结构进行构思，并且当写的时候一定要跟着BatchNorm2D和RELU，这都是要紧跟着conv2d的。

BatchNorm2D实现了批归一化层（Batch Normalization Layer）的功能，可用作卷积和全连接操作的批归一化函数，根据当前批次数据按通道计算的均值和方差进行归一化

RELU:稀疏 ReLU 激活层，创建一个可调用对象以计算输入 x 的 ReLU 。ReLU(x)=max(x,0)

In [ ]

import paddle.nn as nnimport paddle.nn.functional as Fimport paddleclass resnet101(nn.Layer):    def __init__(self,nums_classes):        super(resnet101,self).__init__()        self.nums_classes=nums_classes        self.first=nn.Sequential(            nn.Conv2D(3,64,7,stride=2,padding=3),            nn.BatchNorm2D(64),            nn.ReLU(),            nn.MaxPool2D(3,stride=2,padding=1)                )        self.second=self.add_layer(64,256,64,3)        self.third=self.add_layer(128,512,256,4,2)        self.forth=self.add_layer(256,1024,512,23,2)        self.fifth=self.add_layer(512,2048,1024,3,2)        self.avg_pool = nn.AvgPool2D(7)        self.fc = nn.Linear(2048,self.nums_classes)    def add_layer(self,in_chnnel,out_chnnel,pre_chnnel,sums,stride=1):         layer=[]        layer.append(residual(in_chnnel,out_chnnel,pre_chnnel,stride))        for i in range(sums-1):            layer.append(residual(in_chnnel,out_chnnel,out_chnnel))        return   nn.Sequential(*layer)    def forward(self,x):        x=self.first(x)        x=self.second(x)        x=self.third(x)        x=self.forth(x)        x=self.fifth(x)        x=self.avg_pool(x)        x = paddle.flatten(x, 1)        x=self.fc(x)        return x        class residual(nn.Layer):                                        ##in_chnnel：本层需要的一开始的卷积后的维度    def __init__(self,in_chnnel,out_chnnel,pre_chnnel,stride=1): ##out_chnnel：本层最后输出的维度，                                                                 ##pre_chnnel:表示前一层的输出维度        super(residual,self).__init__()        self.shorcut=None        if pre_chnnel!=out_chnnel: ##如果输入层为首层，需要通过卷积将输入的x升维到输出层，就像            self.shorcut=nn.Sequential(                nn.Conv2D(pre_chnnel,out_chnnel,1,stride,0),                nn.BatchNorm2D(out_chnnel)            )        self.first=nn.Sequential(            nn.Conv2D(pre_chnnel,in_chnnel,1,1,0),            nn.BatchNorm2D(in_chnnel),            nn.ReLU()            )        self.final=nn.Sequential(            nn.Conv2D(in_chnnel,in_chnnel,3,stride,1),            nn.BatchNorm2D(in_chnnel),            nn.ReLU(),            nn.Conv2D(in_chnnel,out_chnnel,1,1,0),            nn.BatchNorm2D(out_chnnel),            nn.ReLU()        )    def forward(self,x):            y=self.first(x)            y=self.final(y)            if self.shorcut is None:                return F.relu(x+y)            else:                return F.relu(self.shorcut(x)+y)net=resnet101(2)params_info = paddle.summary(net,(1, 3, 224, 224))print(params_info)

3.训练阶段

3.1.定义优化器以及损失函数

一个完整的模型除了有神经网络还有所对应的优化器以及损失函数,如下面所示

In [14]

import paddle## 将resnet模型及其所有子层设置为训练模式。这只会影响某些模块，如Dropout和BatchNorm。net.train()optim=paddle.optimizer.Adam(learning_rate=0.001,parameters=net.parameters())loss_fun=paddle.nn.CrossEntropyLoss()

3.2.开始训练

In [ ]

# 设置迭代次数epochs = 36paddle.device.set_device('gpu:0')bestacc=0for epoch in range(epochs):    net.train()    for batch_id, data in enumerate(train_loader()):                x_data = data[0]            # 训练数据        y_data = data[1]            # 训练数据标签        predicts = net(x_data)      # 预测结果          # 计算损失        loss = loss_fun(predicts, y_data)        # 反向传播        loss.backward()        if (batch_id) % 2 == 0:            acc=(np.sum(predicts.argmax(1).numpy()==y_data.numpy()))/len(y_data)            print("train epoch: {}, batch_id: {}, loss is: {}, acc is: {}".format(epoch, batch_id+1, loss.numpy(), acc))        # 更新参数         optim.step()        # 梯度清零        optim.clear_grad()    if epoch % 5==0:        net.eval()        for batch_id, data in enumerate(test_loader()):                x_data = data[0]            # 测试数据            y_data = data[1]            # 测试数据标签            predicts = net(x_data)    # 预测结果                        # 计算损失与精度            loss = loss_fun(predicts, y_data)            # 打印信息            acc=(np.sum(predicts.argmax(1).numpy()==y_data.numpy()))/len(y_data)            print("test batch_id: {}, loss is: {}, curr_acc is: {} bestacc is {}".format(batch_id+1, loss.numpy(), acc, bestacc))            if bestacc<acc:                bestacc=acc                paddle.save(net.state_dict(), "resnet1_net.pdparams")

由于数据集不是很多，所以导致数据的精确不是很高，只有90%左右的准确率，不过也是够用了。

4.预测阶段

4.1.测试集预测

在评估的时候，我们也将最高的精确度的模型权重保存了下来，现在我们使用测试集预测一下道路干不干净。并输出总精度

In [ ]

pre_net=resnet101(2)layer_state_dict=paddle.load('/home/aistudio/resnet1_net.pdparams')pre_net.set_state_dict(layer_state_dict)pre_net.eval()#使用测试集来看看精度for batch_id, data in enumerate(test_loader()):             x_data = data[0]            # 测试数据            y_data = data[1]            # 测试数据标签            predicts = pre_net(x_data)    # 预测结果            print(predicts.numpy())            print('预测的标签信息为:',predicts.argmax(1).numpy())            print('真实的标签信息为:',y_data.numpy())            # 打印信息            acc=(np.sum(predicts.argmax(1).numpy()==y_data.numpy()))/len(y_data)            print("test batch_id: {} acc is: {}".format(batch_id, acc))

4.2.个体预测

个体预测时只需要读取一张图片，然后增加一个维度，就可以放入到神经网络，进行识别是否是干净的道路

In [24]

import paddleimage=cv2.imread(r'/home/aistudio/Images/Images/clean_7.jpg')image=data_transform['val'](image)plt.rcParams['font.sans-serif']=['FZHuaLi-M14S']plt.imshow(image[0])plt.title('')image=paddle.reshape(image,[1,3,224,224])predict=pre_net(image)print(predict.numpy()) #明显可以看出是第0个标签大，即干净的道路if predict.argmax(1)==0:    plt.title('干净的道路')else:    plt.title('不干净的道路')    plt.show()

[[2.4930854 1.1419637]]

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