本文档主要介绍垃圾分类代码开发的方法。通过读取本地图像数据作为输入，对图像中的垃圾物体进行检测，并且将检测结果图片保存到文件中。

实验目的

• 了解熟悉垃圾分类应用代码的编写（Python语言）；
• 了解Linux操作系统的基本使用；
• 掌握atc命令进行模型转换的基本操作。

MobileNetv2模型原理介绍

MobileNet网络是由Google团队于2017年提出的专注于移动端、嵌入式或IoT设备的轻量级CNN网络，相比于传统的卷积神经网络，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。

由于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

MobileNet网络是由Google团队于

2017年提出的专注于移动端、嵌入式或IoT设备的轻量级CNN网络，相比于传统的卷积神经网络，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。

由于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

图中Inverted residual block结构是先使用1x1卷积进行升维，然后使用3x3的DepthWise卷积，最后使用1x1的卷积进行降维，与Residual block结构相反。Residual block是先使用1x1的卷积进行降维，然后使用3x3的卷积，最后使用1x1的卷积进行升维。

实验环境

本案例支持win_x86和Linux系统，CPU/GPU/Ascend均可运行。

在动手进行实践之前，确保您已经正确安装了MindSpore。不同平台下的环境准备请参考《MindSpore环境搭建实验手册》。

数据处理

数据准备

MobileNetV2的代码默认使用ImageFolder格式管理数据集，每一类图片整理成单独的一个文件夹， 数据集结构如下：

数据加载

将模块导入，具体如下：

配置后续训练、验证、推理用到的参数：

数据预处理操作

利用ImageFolderDataset方法读取垃圾分类数据集，并整体对数据集进行处理。

读取数据集时指定训练集和测试集，首先对整个数据集进行归一化，修改图像频道等预处理操作。然后对训练集的数据依次进行RandomCropDecodeResize、RandomHorizontalFlip、RandomColorAdjust、shuffle操作，以增加训练数据的丰富度；对测试集进行Decode、Resize、CenterCrop等预处理操作；最后返回处理后的数据集。

展示部分处理后的数据：

MobileNetV2模型搭建

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。

神经网络的各层需要预先在__init__方法中定义，然后通过定义construct方法来完成神经网络的前向构造。原始模型激活函数为ReLU6，池化模块采用是全局平均池化层。

__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)

MobileNetV2模型的训练与测试

训练策略

一般情况下，模型训练时采用静态学习率，如0.01。随着训练步数的增加，模型逐渐趋于收敛，对权重参数的更新幅度应该逐渐降低，以减小模型训练后期的抖动。所以，模型训练时可以采用动态下降的学习率，常见的学习率下降策略有：

• polynomial decay/square decay;
• cosine decay;
• exponential decay;
• stage decay.
  这里使用cosine decay下降策略：

在模型训练过程中，可以添加检查点（Checkpoint）用于保存模型的参数，以便进行推理及中断后再训练使用。使用场景如下：

• 训练后推理场景

1. 模型训练完毕后保存模型的参数，用于推理或预测操作。
2. 训练过程中，通过实时验证精度，把精度最高的模型参数保存下来，用于预测操作。

• 再训练场景

1. 进行长时间训练任务时，保存训练过程中的Checkpoint文件，防止任务异常退出后从初始状态开始训练。
2. Fine-tuning（微调）场景，即训练一个模型并保存参数，基于该模型，面向第二个类似任务进行模型训练。
   这里加载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。

模型训练与测试

在进行正式的训练之前，定义训练函数，读取数据并对模型进行实例化，定义优化器和损失函数。

首先简单介绍损失函数及优化器的概念：

• 损失函数：又叫目标函数，用于衡量预测值与实际值差异的程度。深度学习通过不停地迭代来缩小损失函数的值。定义一个好的损失函数，可以有效提高模型的性能。

• 优化器：用于最小化损失函数，从而在训练过程中改进模型。

定义了损失函数后，可以得到损失函数关于权重的梯度。梯度用于指示优化器优化权重的方向，以提高模型性能。

在训练MobileNetV2之前对MobileNetV2Backbone层的参数进行了固定，使其在训练过程中对该模块的权重参数不进行更新；只对MobileNetV2Head模块的参数进行更新。

MindSpore支持的损失函数有SoftmaxCrossEntropyWithLogits、L1Loss、MSELoss等。这里使用SoftmaxCrossEntropyWithLogits损失函数。

训练测试过程中会打印loss值，loss值会波动，但总体来说loss值会逐步减小，精度逐步提高。每个人运行的loss值有一定随机性，不一定完全相同。

每打印一个epoch后模型都会在测试集上的计算测试精度，从打印的精度值分析MobileNetV2模型的预测能力在不断提升。

from mindspore.amp import FixedLossScaleManager
import time
LOSS_SCALE = 1024

train_dataset = create_dataset(dataset_path=config.dataset_path, config=config)
eval_dataset = create_dataset(dataset_path=config.dataset_path, config=config)
step_size = train_dataset.get_dataset_size()
    
backbone = MobileNetV2Backbone() #last_channel=config.backbone_out_channels
# Freeze parameters of backbone. You can comment these two lines.
for param in backbone.get_parameters():
    param.requires_grad = False
# load parameters from pretrained model
load_checkpoint(config.pretrained_ckpt, backbone)

head = MobileNetV2Head(input_channel=backbone.out_channels, num_classes=config.num_classes)
network = mobilenet_v2(backbone, head)

# define loss, optimizer, and model
loss = nn.SoftmaxCrossEntropyWithLogits(sparse=True, reduction='mean')
loss_scale = FixedLossScaleManager(LOSS_SCALE, drop_overflow_update=False)
lrs = cosine_decay(config.epochs * step_size, lr_max=config.lr_max)
opt = nn.Momentum(network.trainable_params(), lrs, config.momentum, config.weight_decay, loss_scale=LOSS_SCALE)

# 定义用于训练的train_loop函数。
def train_loop(model, dataset, loss_fn, optimizer):
    # 定义正向计算函数
    def forward_fn(data, label):
        logits = model(data)
        loss = loss_fn(logits, label)
        return loss

    # 定义微分函数，使用mindspore.value_and_grad获得微分函数grad_fn,输出loss和梯度。
    # 由于是对模型参数求导,grad_position 配置为None，传入可训练参数。
    grad_fn = ms.value_and_grad(forward_fn, None, optimizer.parameters)

    # 定义 one-step training函数
    def train_step(data, label):
        loss, grads = grad_fn(data, label)
        optimizer(grads)
        return loss

    size = dataset.get_dataset_size()
    model.set_train()
    for batch, (data, label) in enumerate(dataset.create_tuple_iterator()):
        loss = train_step(data, label)

        if batch % 10 == 0:
            loss, current = loss.asnumpy(), batch
            print(f"loss: {loss:>7f}  [{current:>3d}/{size:>3d}]")

# 定义用于测试的test_loop函数。
def test_loop(model, dataset, loss_fn):
    num_batches = dataset.get_dataset_size()
    model.set_train(False)
    total, test_loss, correct = 0, 0, 0
    for data, label in dataset.create_tuple_iterator():
        pred = model(data)
        total += len(data)
        test_loss += loss_fn(pred, label).asnumpy()
        correct += (pred.argmax(1) == label).asnumpy().sum()
    test_loss /= num_batches
    correct /= total
    print(f"Test: \n Accuracy: {(100*correct):>0.1f}%, Avg loss: {test_loss:>8f} \n")

print("============== Starting Training ==============")
# 由于时间问题，训练过程只进行了2个epoch ，可以根据需求调整。
epoch_begin_time = time.time()
epochs = 2
for t in range(epochs):
    begin_time = time.time()
    print(f"Epoch {t+1}\n-------------------------------")
    train_loop(network, train_dataset, loss, opt)
    ms.save_checkpoint(network, "save_mobilenetV2_model.ckpt")
    end_time = time.time()
    times = end_time - begin_time
    print(f"per epoch time: {times}s")
    test_loop(network, eval_dataset, loss)
epoch_end_time = time.time()
times = epoch_end_time - epoch_begin_time
print(f"total time:  {times}s")
print("============== Training Success ==============")

执行结果：

模型推理

加载模型Checkpoint进行推理，使用load_checkpoint接口加载数据时，需要把数据传入给原始网络，而不能传递给带有优化器和损失函数的训练网络。

导出AIR/GEIR/ONNX模型文件

导出AIR模型文件，用于后续Atlas 200 DK上的模型转换与推理。当前仅支持MindSpore+Ascend环境。