华为云“云上先锋”·AI主题赛（垃圾分类）-Top7复盘

介绍

在2020.12-2021.1这段时间和师兄参加了华为云“云上先锋”·AI主题赛官网（垃圾分类），最后拿到了 第7名（7/1405） 的成绩，在最终榜单上分数为96.64.

赛事介绍

1.赛题描述
本赛题采用深圳市垃圾分类标准，赛题任务是对垃圾图片进行分类，即首先识别出垃圾图片中物品的类别（比如易拉罐、果皮等），然后查询垃圾分类规则，输出该垃圾图片中物品属于可回收物、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾中的哪一种。
模型输出格式示例：
{
" result ": “可回收物/易拉罐”
}
2.数据说明
本次比赛提供的训练集中包含了43类生活中常见垃圾，参赛者可自行划分用于模型调优用的验证集和测试集。
datasets
|- train_data ( 训练集目录，包含垃圾图片和对应的标签文件（.txt))
|- garbage_classify_rule.json (垃圾分类规则字典，key值是id，value是“垃圾种类/具体物品名”。
例如训练数据标签文件img1.txt的内容是“img_1.jpg, 0”，表示img_1.jpg这张图中的垃圾是“其他垃圾/一次性快餐盒”。)
3.评分标准
如上文模型输出格式示例中，模型预测的物品类别是“易拉罐”，如果图片的真实类别是易拉罐，则这张图片预测正确，否则预测错误。评价指标的计算方式是：

                           识别准确率 = 识别正确的图片数 / 图片总数

识别准确率的数值即为最终的模型评分。
4.提交说明
参赛者需使用华为云一站式AI开发平台ModelArts来开发模型，将模型部署为在线服务或批量服务验证其正确性。确认模型无误后在ModelArts平台上将开发好的模型提交判分，最后在竞赛平台上提交作品、查看成绩。
模型规范
1、所提交的模型必须满足赛题说明中的模型输出格式
2、评分系统使用ModelArts批量服务加载选手提交的模型，对比赛评分专用的测试集图片（此部分图片不公开）进行批量预测，后台会根据预测结果自动计算识别准确率
3、不允许使用“测试时增强”策略和“模型融合”策略（如投票、stacking和blending）来提升模型的效果，只能使用端到端预测的单模型，每个赛事阶段结束后，都会要求入围选手提交代码和模型，由赛事组进行人工审核模型是否符合要求
4、ModelArts模型管理中的模型创建后，不会自动更新，如果您有了更好的模型需要提交，要重新导入模型，然后再重新发布模型、提交作品
5、排名靠前选手所提交的模型，会被择优发布到ModelArts AI市场

这个ModelArts系统挺一言难尽的，评判时间会很慢，一个多小时出结果，有时候还会评分失败。。

数据分析

这次也是属于图像分类的一种，但是官方要求不能使用多模型融合和TTA，只能看单模型的泛化能力，所以要在单模型上挖掘出最大潜能。图像训练集总共包含43类，2.1W张，这个比赛在2019年已经有过类似的了，当时是40类，为了增强泛化，我们把上一届比赛某获奖方案中自行添加的4K数据也加了进来。后续结果证明，因为这个附加数据已经经过筛选，加入后会带来0.2左右的提升。
下面是做一个数据可视化分析：
类别说明：
{
“0”: “其他垃圾/一次性快餐盒”,
“1”: “其他垃圾/污损塑料”,
“2”: “其他垃圾/烟蒂”,
“3”: “其他垃圾/牙签”,
“4”: “其他垃圾/破碎花盆及碟碗”,
“5”: “其他垃圾/竹筷”,
“6”: “厨余垃圾/剩饭剩菜”,
“7”: “厨余垃圾/大骨头”,
“8”: “厨余垃圾/水果果皮”,
“9”: “厨余垃圾/水果果肉”,
“10”: “厨余垃圾/茶叶渣”,
“11”: “厨余垃圾/菜叶菜根”,
“12”: “厨余垃圾/蛋壳”,
“13”: “厨余垃圾/鱼骨”,
“14”: “可回收物/充电宝”,
“15”: “可回收物/包”,
“16”: “可回收物/化妆品瓶”,
“17”: “可回收物/塑料玩具”,
“18”: “可回收物/塑料碗盆”,
“19”: “可回收物/塑料衣架”,
“20”: “可回收物/快递纸袋”,
“21”: “可回收物/插头电线”,
“22”: “可回收物/旧衣服”,
“23”: “可回收物/易拉罐”,
“24”: “可回收物/枕头”,
“25”: “可回收物/毛绒玩具”,
“26”: “可回收物/洗发水瓶”,
“27”: “可回收物/玻璃杯”,
“28”: “可回收物/皮鞋”,
“29”: “可回收物/砧板”,
“30”: “可回收物/纸板箱”,
“31”: “可回收物/调料瓶”,
“32”: “可回收物/酒瓶”,
“33”: “可回收物/金属食品罐”,
“34”: “可回收物/锅”,
“35”: “可回收物/食用油桶”,
“36”: “可回收物/饮料瓶”,
“37”: “有害垃圾/干电池”,
“38”: “有害垃圾/软膏”,
“39”: “有害垃圾/过期药物”,
“40”: “可回收物/毛巾”,
“41”: “可回收物/饮料盒”,
“42”: “可回收物/纸袋”
}

上图可以看到类别还是不太平衡的，后续结果表明，虽然类似于3,20,40,41,42的数据较少，但在这些类别上的正确率还不错，没有表现出很恶劣的情况。我们在训练时把数据划分为9-1格式，90%train，10%val，最后也尝试过全部数据进行训练，但是结果一直不太好，还没能超越9-1划分最高分。

做数据增强的时候，发现很多垃圾图片都是对称的，还有轻微的旋转角度，所以也没有加入过多的数据增强。


最终选择的训练数据增强操作如下：

self.transforms = T.Compose([
                T.Resize((int(input_size / 0.934), int(input_size / 0.934))),
                T.RandomCrop((input_size,input_size)),
                T.RandomRotation(10),
                T.RandomHorizontalFlip(),
                T.ToTensor(),
                normalize
            ])

验证和测试都是只加入了中心裁剪：

self.transforms = T.Compose([
                T.Resize((int(input_size / 0.934), int(input_size / 0.934))),
                T.CenterCrop((input_size,input_size)),
                T.ToTensor(),
                normalize
            ])

这里的 input_size / 0.934 是针对 tf_efficientnet_b5_ns 模型456输入的cropt_pct，对应普通的224输入就是 input_size/0.875 。

模型训练

1.网络选择
最开始用resnet50跑了一个baseline，提交后再换不同模型，这些操作都比较无脑，就是加大分辨率大模型了，因为之前ACCV细粒度分类比赛第2名使用了efficientnet的ns模型，这次延续了上次的做法，改为timm库中的tf_efficientnet_bx_ns 系列,这个在imagent上的Top1准确率表现很不错

2.训练过程
我们在单卡2080TI上训练，优化器选择了SGD，初始 lr=0.001，使用ReduceLROnPlateau进行衰减，这里是对val_loss进行判断，如果2个epoch都没有减少，则学习率衰减0.1倍，因为val_acc震荡太多在20epoch左右，使用val_loss会更好一点。

optimizer = optim.SGD((model.parameters()), lr=0.001, momentum=0.9, weight_decay=0.0004)
scheduler = torch.optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(optimizer, mode='min', factor=0.1, patience=2, verbose=False)

损失函数开始选择 CrossEntropyLoss ，后面改为LabelSmoothingLoss，smoothing=0.1，会涨点0.25.
后面改为b6/b7系列发现效果会变差，b5是最优的选择，也试了swsl_resnext101系列，发现效果不怎么好，但是可能也是我们炼丹不够好。
在训练 tf_efficientnet_b5_ns 时，使用了混合精度Apex训练，batchsize=12，20-40个epoch之间出最好结果。

 from timm.models import create_model
 model = create_model(
        'tf_efficientnet_b5_ns',
        pretrained=True,
        num_classes=43,
        drop_rate=0.1,
        drop_connect_rate=None,  # DEPRECATED, use drop_path
        drop_path_rate=None,
        drop_block_rate=None,
        global_pool=None,
        bn_tf=False,
        bn_momentum=None,
        bn_eps=None,
        checkpoint_path=None)

我们发现加大模型，加大分辨率最多在b5上达到了96.5的结果，后面试了很多方法也没有提升：
（1）全部数据训练后，没啥提升；
（2）还使用了破坏-重建学习DCL网络，没提升；
（3）NIPS2020汤凯华新提出的De-confound TDE（训练时需要De-confound Training，说人话就是classifier需要使用multi-head normalized classifier），没啥提升；
（4）也试了随机SWA方法，波动大，效果也不行；
（5）试了超参数搜索，设置初始学习率和drop_rate两个参数，发现还是lr=0.001，drop_rate=0.1效果最好；
（6）分层学习率，特征提取部分学习率0.001，全连接层为0.01，效果也一般。

玄学炼丹

比赛结束前一天，试了最后一个trick，在96.5最好结果的预训练模型上训练全部数据，冻结特征提取层，仅跑全连接层，提交了第3个epoch的结果，因为它看着val_loss最低，val_acc还可以，然后结果出来96.64，炼丹大法最后一天终于有了可见的效果。
从第8到了第7，之前开始做的时候一路顺风一直到第4（96.5），然后就是温水煮青蛙，再上不去了，慢慢掉下来，最后又挣扎了一下。

最后是我们最好模型的val结果混淆矩阵分析：
这个中间数字是对应类别的分类正确概率。
上面是对应类别的分类正确数量。
上面是val数据的类别分布。

具体代码见github:

完整code
期待更多大佬方案。