【Datawhale AI夏令营】从零上手CV竞赛Task3

文章目录

前言
一、数据集增强
二、设置 YOLO 模型训练参数
三、模型微调
总结

前言

本文的Task3对Task1的baseline代码继续进行优化的过程。

在这里插入图片描述

一、数据集增强

数据增强是机器学习和深度学习中常用的技术，用于通过从现有数据集中生成新的训练样本来提高模型的泛化能力。

常见的增强技术包括翻转、旋转、缩放和颜色调整。例如 Albumentations、Imgaug 和 TensorFlow的 ImageDataGenerator等多个库可以生成这些增强。

数据增强方法	描述
Mosaic Augmentation	将四张训练图像组合成一张，增加物体尺度和位置的多样性。
Copy-Paste Augmentation	复制一个图像的随机区域并粘贴到另一个图像上，生成新的训练样本。
Random Affine Transformations	包括图像的随机旋转、缩放、平移和剪切，增加对几何变换的鲁棒性。
MixUp Augmentation	通过线性组合两张图像及其标签创造合成图像，增加特征空间的泛化。
Albumentations	一个支持多种增强技术的图像增强库，提供灵活的增强管道定义。
HSV Augmentation	对图像的色相、饱和度和亮度进行随机变化，改变颜色属性。
Random Horizontal Flip	沿水平轴随机翻转图像，增加对镜像变化的不变性。

如下图所示就是数据增强的例子：

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参数名	类型	默认值	取值范围	描述
hsv_h	float	0.015	0.0 - 1.0	调整图像色调，引入颜色变异性，提高不同光照下的泛化能力。
hsv_s	float	0.7	0.0 - 1.0	调整图像饱和度，改变颜色强度，模拟不同环境条件。
hsv_v	float	0.4	0.0 - 1.0	调整图像亮度，帮助模型在不同光照下表现良好。
degrees	float	0	-180 - +180	随机旋转图像，提高识别不同方向物体的能力。
translate	float	0.1	0.0 - 1.0	平移图像，帮助模型学习检测部分可见物体。
scale	float	0.5	>=0.0	缩放图像，模拟物体与相机之间的不同距离。
shear	float	0	-180 - +180	剪切图像，模拟从不同角度观察物体的效果。
perspective	float	0	0.0 - 0.001	应用随机透视变换，增强模型对3D空间物体的理解能力。
flipud	float	0	0.0 - 1.0	上下翻转图像，增加数据变异性，不影响物体特征。
fliplr	float	0.5	0.0 - 1.0	左右翻转图像，有助于学习对称物体和增加数据集多样性。
bgr	float	0	0.0 - 1.0	翻转图像通道从RGB到BGR，提高对通道顺序错误的鲁棒性。
mosaic	float	1	0.0 - 1.0	合成四张图像，模拟不同场景组合和物体交互，增强复杂场景理解。
mixup	float	0	0.0 - 1.0	混合两张图像及标签，创建合成图像，增强泛化能力。
copy_paste	float	0	0.0 - 1.0	复制物体并粘贴到另一图像，增加实例和学习遮挡。
auto_augment	str	randaugment	-	自动应用预定义增强策略，优化分类任务。
erasing	float	0.4	0.0 - 0.9	随机擦除图像部分，鼓励模型关注不明显特征。

二、设置 YOLO 模型训练参数

YOLO 模型的训练设置包括多种超参数和配置，这些设置会影响模型的性能、速度和准确性。

微调涉及采用预先训练的模型并调整其参数以提高特定任务或数据集的性能。该过程也称为模型再训练，使模型能够更好地理解和预测在实际应用中将遇到的特定数据的结果。

通常，在初始训练时期，学习率从低开始，逐渐增加以稳定训练过程。但是，由于预训练模型已经从以前的数据集中学习了一些特征，因此立即从更高的学习率开始可能更有益。在 YOLO 中绝大部分参数都可以使用默认值。

参数	描述
imgsz	训练时的目标图像尺寸，所有图像在此尺寸下缩放。
save_period	保存模型检查点的频率（周期数），-1 表示禁用。
device	用于训练的计算设备，可以是单个或多个 GPU，CPU 或苹果硅的 MPS。
optimizer	训练中使用的优化器，如 SGD、Adam 等，或 ‘auto’ 以根据模型配置自动选择。
momentum	SGD 的动量因子或 Adam 优化器的 beta1。
weight_decay	L2 正则化项。
warmup_epochs	学习率预热的周期数。
warmup_momentum	预热阶段的初始动量。
warmup_bias_lr	预热阶段偏置参数的学习率。
box	边界框损失在损失函数中的权重。
cls	分类损失在总损失函数中的权重。
dfl	分布焦点损失的权重。

三、模型微调

在Task2的基础上，我仍然使用8张4090显卡进行yolov8x更多epoch的训练，同时修改了一些超参数。

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results = model.train(data="/mnt/sdb1/yolo-dataset/yolo.yaml", epochs=10, imgsz=1280, batch=32, device="0,1,2,3,4,5,6,7", mixup=0.4, copy_paste=0.5, mosaic=0)

results = model(path, conf=0.25, imgsz=1280, verbose=False, augment=True)

但是令人遗憾的是，可能mosaic不能设置成0，因为可能需要增加物体位置和尺度的多样性。导致最后的提升比较微小，从0.132提升到了0.137。

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类别	目标数量	检测数量	精度（Precision）	召回率（Recall）	F1 分数	mAP@0.5
all	2595	19658	0.707	0.237	0.33	0.233
非机动车违停	2591	12666	0.829	0.635	0.744	0.447
机动车违停	2591	5737	0.999	0.314	0.564	0.484
垃圾桶满溢	791	791	1.0	0.0	0.0	0.0
违法经营	232	464	0.0	0.0	0.0134	0.00136

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而且从训练来看，训练10个epoch过程中差别不是很大，说明可能存在过拟合的问题。

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最后我查看群友们的建议，发现比赛的数据存在严重的数据集不均衡的问题，所以我重新使用一张4090，换用了另一种训练集：验证集为4:1比例的数据划分。

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类别	目标数量	检测数量	精度（Precision）	召回率（Recall）	F1 分数	mAP@0.5
all	9307	35561	0.634	0.644	0.651	0.485
非机动车违停	9306	24128	0.904	0.931	0.957	0.681
机动车违停	9211	11222	1.0	1.0	0.995	0.774
垃圾桶满溢	211	211	0.0	0.0	0.0	0.0