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[人工智能]基于卷积神经网络的交通标志识别

1.环境配置

??Python、Pytorch、Torchvision、Pandas、PIL等。

2.数据集

??数据来源中国交通标志检测数据集,数据集包含58个类别的5998个交通标志图像。每个图像都是单个交通标志的缩放视图。选择90%数据作为训练数据,10%作为测试数据。

3.数据展示

??下图为torchvision预处理后的图片,不是原图。
在这里插入图片描述

4.数据加载

??加载数据需要继承Dataset父类,并且__getitem__()和__len__()两个方法必须要重写,getitem()方法是获取数据及数据标签,一次返回一张图片数据,len()方法是整个数据的长度,也就是图片的数量。最后通过DataLoader类加载。

class TrafficData(Dataset):
    
    def __init__(self, path, train=True):
        super(TrafficData, self).__init__()
        df = pd.read_csv(os.path.join(path, 'annotations.csv'))
        labels = df.category.tolist()
        image_files = df.file_name.tolist()
        self.path = path
        del df
        self.transform = torchvision.transforms.Compose([
                torchvision.transforms.Resize((128, 128)),
                torchvision.transforms.ToTensor(),
                torchvision.transforms.Normalize((0.1307), (0.3081))
            ])
        if train:
            self.image_files = image_files[:int(len(image_files)*0.9)]
            self.labels = labels[:int(len(image_files)*0.9)]
        else:
            self.image_files = image_files[int(len(image_files)*0.9):]
            self.labels = labels[int(len(image_files)*0.9):]
            
    def __getitem__(self, index):
        image = Image.open(os.path.join(self.path + '/images/', self.image_files[index]))
        return self.transform(image), self.labels[index]
    
    def __len__(self):
        return len(self.image_files)

train_loader = DataLoader(dataset=TrafficData('../input/chinese-traffic-signs', train=True), 
                          batch_size=32, shuffle=True, drop_last=True)
test_loader = DataLoader(dataset=TrafficData('../input/chinese-traffic-signs', train=False), 
                          batch_size=32, shuffle=True, drop_last=True)      

5.模型类

??该模型由四层卷积层构成,每层卷积包括卷积、归一化、激活和池化构成,通道数量依次递增,最后通过一个全连接层输出。

class CNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(CNN, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels = 3, out_channels = 16,kernel_size = 3,
                      stride = 1,padding = 0),
            nn.BatchNorm2d(16),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size = 2,stride = 2)
        )
        self.conv2 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(
                in_channels = 16, out_channels = 32,kernel_size = 3,
                stride = 1,padding = 0),
            nn.BatchNorm2d(32),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size = 2,stride = 2)
        )
        self.conv3 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels = 32, out_channels = 64,kernel_size = 3,
                stride = 1,padding = 0),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size = 2,stride = 2)
        )
        self.conv4 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels = 64, out_channels = 128,kernel_size = 3,
                stride = 1,padding = 0),
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size = 2,stride = 2)
        )
        self.fc = nn.Sequential(nn.Linear(4608, 58))

    def forward(self, x):
        out = self.conv1(x)
        out = self.conv2(out)
        out = self.conv3(out)
        out = self.conv4(out)
        out = out.view(out.size(0), -1)
        out = self.fc(out)
        
        return F.log_softmax(out, dim=1)

6.定义参数

??定义一些模型训练的基本参数,训练次数,小批次数据,学习率和优化器等。

n_epochs = 10
batch_size_train = 16
batch_size_test = 1000
learning_rate = 0.001
momentum = 0.5
log_interval = 10
random_seed = 42
torch.manual_seed(random_seed)
network = CNN()
optimizer = optim.RMSprop(network.parameters(),lr=learning_rate, alpha=0.99,eps=1e-08, weight_decay=0.0, momentum=momentum, centered=False)
train_losses = []
train_counter = []
test_losses = []
test_counter = [i*len(train_loader.dataset) for i in range(n_epochs + 1)]
train_accuracy = []
test_accuracy = []

7.训练函数

??用于该模型的训练。

def train(epoch):
    network.train() 
    tr_correct = 0
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader): 
        data, target = data, target
        optimizer.zero_grad()
        out = network(data)
        loss = F.nll_loss(out, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        tr_pred = out.data.max(dim=1, keepdim=True)[1] 
        tr_correct += tr_pred.eq(target.data.view_as(tr_pred)).sum()
        if batch_idx % log_interval == 9:
            print('\rTrain Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                epoch, (batch_idx+1) * len(data), len(train_loader.dataset),
                100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item()),end='')
        train_losses.append(loss.item())
        train_counter.append(
        (batch_idx*64) + ((epoch-1)*len(train_loader.dataset)))
    tr_acc = 100. * tr_correct/len(train_loader.dataset)
    train_accuracy.append(tr_acc)#
    print(', Avg.loss: {:.6f}, Accuracy: {:.2f}%'.format(
    torch.mean(torch.Tensor(train_losses[
        int((epoch-1)*len(train_loader.dataset)/batch_size_train):])), tr_acc))

8.测试函数

??测定模型效果。

def test():
    network.eval()
    test_loss = 0
    correct = 0
    with torch.no_grad():
        for data, target in test_loader:
            data, target = data, target
            output = network(data) 
            test_loss += F.nll_loss(output, target, reduction='sum').item()
            pred = output.data.max(dim=1, keepdim=True)[1]
            correct += pred.eq(target.data.view_as(pred)).sum()
    test_loss /= (len(test_loader.dataset)/1.)
    test_losses.append(test_loss)
    test_accuracy.append(100. * correct / len(test_loader.dataset))
    if test_accuracy[-1] >= max(test_accuracy):
        torch.save(network.state_dict(), './model.pth')
        torch.save(optimizer.state_dict(), './optimizer.pth')
    print('\nTest set: Avg. loss: {:.6f}, Accuracy: {}/{} ({:.2f}%)\n'.format(
        test_loss, correct, len(test_loader.dataset),
        100. * correct / len(test_loader.dataset)))

9.训练并绘图

??模型收敛速度较快,进行了十次训练模型基本收敛,效果较好,测试准确率最高98.54%,如果实际需求可以适当增加数据集,本文只是作为测试。

for epoch in range(1, n_epochs + 1):
    train(epoch)
    test()
print('\n\t\tTest Max_Accuracy: ({:.2f}%)\n'.format(max(test_accuracy)))

fig = plt.figure(figsize=(12,4))
plt.subplot(1,2,1)
plt.plot(train_counter, train_losses, color='blue')
plt.scatter(test_counter[1:], test_losses, color='red')
plt.legend(['Train Loss', 'Test Loss'], loc='upper right')
plt.xlabel('number of training examples seen')
plt.ylabel('negative log likelihood loss')
plt.subplot(1,2,2)
plt.plot([epoch+1 for epoch in range(n_epochs)], [tr/100 for tr in train_accuracy], color='blue')
plt.plot([epoch+1 for epoch in range(n_epochs)], [te/100 for te in test_accuracy], color='red')
x_te_epoch, y_te_acc = test_accuracy.index(max(test_accuracy)), max(test_accuracy)/100.0
plt.scatter(x_te_epoch, y_te_acc, color='black')
plt.legend(['Train acc', 'Test acc'], loc='lower right')
plt.xlabel('number of epoch examples seen')
plt.ylabel('negative log likelihood acc')
plt.show()

在这里插入图片描述

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