基于pytorch的水果图像识别与分类系统的设计与实现,数据集使用Fruits 360,要求编写转换函数对数据集进行数据增强,模型要实现标准量化和批量归一化,并且实现权重衰减,梯度裁剪和Adam优化,最后将训练好的模型保存，操作系统为Windows64,使用pycharm实现

1. 数据集准备

首先，我们需要下载Fruits 360数据集。可以从以下链接下载：https://www.kaggle.com/moltean/fruits

解压后，数据集的目录结构如下：

fruits-360/
    LICENSE
    papers/
    readme.md
    Test/
        Apple Braeburn/
        Apple Crimson Snow/
        ...
    Training/
        Apple Braeburn/
        Apple Crimson Snow/
        ...

Training文件夹和Test文件夹分别包含训练集和测试集。每个类别都有一个单独的文件夹。

2. 数据增强

我们可以使用PyTorch中的transforms模块来实现数据增强。在这里，我们使用了以下转换函数：

train_transforms = transforms.Compose([
    transforms.RandomResizedCrop(224),
    transforms.RandomHorizontalFlip(),
    transforms.RandomRotation(20),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
])

test_transforms = transforms.Compose([
    transforms.Resize(256),
    transforms.CenterCrop(224),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
])

这些转换函数将训练集和测试集中的图像进行随机裁剪、水平翻转、旋转和归一化等处理。

3. 构建数据集

我们可以使用PyTorch的Dataset和DataLoader来构建数据集。

train_data = datasets.ImageFolder('fruits-360/Training', transform=train_transforms)
test_data = datasets.ImageFolder('fruits-360/Test', transform=test_transforms)

train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_data, batch_size=32, shuffle=True)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_data, batch_size=32, shuffle=False)

这里，我们使用ImageFolder类将数据集加载到内存中，并使用DataLoader类将数据集分成批次。

4. 构建模型

我们可以使用PyTorch中的torchvision.models模块来构建模型。在本例中，我们将使用ResNet18模型。

class FruitsClassifier(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(FruitsClassifier, self).__init__()
        self.model = models.resnet18(pretrained=True)
        num_ftrs = self.model.fc.in_features
        self.model.fc = nn.Linear(num_ftrs, 131)

    def forward(self, x):
        x = self.model(x)
        return x

在这里，我们使用预训练的ResNet18模型，并将其最后一层替换为具有131个输出的全连接层。

5. 训练模型

我们可以使用PyTorch中的torch.optim和torch.nn模块来训练模型。

model = FruitsClassifier().to(device)
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001, weight_decay=1e-5)
scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=7, gamma=0.1)

for epoch in range(10):
    train_loss = 0.0
    train_acc = 0.0
    val_loss = 0.0
    val_acc = 0.0

    model.train()
    for i, data in enumerate(train_loader):
        inputs, labels = data
        inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)

        optimizer.zero_grad()

        outputs = model(inputs)
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()

        nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), 5)
        optimizer.step()

        train_loss += loss.item() * inputs.size(0)
        _, preds = torch.max(outputs, 1)
        train_acc += torch.sum(preds == labels.data)

    train_loss = train_loss / len(train_loader.dataset)
    train_acc = train_acc / len(train_loader.dataset)

    model.eval()
    for i, data in enumerate(test_loader):
        inputs, labels = data
        inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)

        with torch.no_grad():
            outputs = model(inputs)
            loss = criterion(outputs, labels)

        val_loss += loss.item() * inputs.size(0)
        _, preds = torch.max(outputs, 1)
        val_acc += torch.sum(preds == labels.data)

    val_loss = val_loss / len(test_loader.dataset)
    val_acc = val_acc / len(test_loader.dataset)

    scheduler.step()

    print('Epoch: {} Train Loss: {:.4f} Train Acc: {:.4f} Val Loss: {:.4f} Val Acc: {:.4f}'.format(
        epoch+1, train_loss, train_acc, val_loss, val_acc))

# 保存模型
torch.save(model.state_dict(), 'fruits_classifier.pth')

在这里，我们使用交叉熵损失函数、Adam优化器和学习率调度程序来训练模型。我们还使用了权重衰减、梯度裁剪和批量归一化等技术来提高模型的性能。

6. 加载模型

我们可以使用以下代码来加载保存的模型。

model = FruitsClassifier().to(device)
model.load_state_dict(torch.load('fruits_classifier.pth'))

这里，我们首先实例化FruitsClassifier模型，并使用load_state_dict方法加载保存的权重。

7. 预测图像

我们可以使用以下代码来预测图像。

def predict_image(image_path):
    image = Image.open(image_path)
    image_tensor = test_transforms(image).float()
    image_tensor = image_tensor.unsqueeze_(0)
    input = Variable(image_tensor)
    input = input.to(device)
    output = model(input)
    index = output.data.cpu().numpy().argmax()
    return index

在这里，我们首先打开图像，然后将其转换为PyTorch张量。我们使用训练集中使用的相同变换函数来转换图像。然后，我们将图像转换为模型的输入，并使用模型进行预测。最后，我们返回预测的类别索引。