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    0 环境
    1 引言
    2 思路
    3 图像分类
    4 总结

    0 环境

    Python版本:3.6.8

    系统版本:macOS Mojave

    Python Jupyter Notebook

    1 引言

    七月了,大家最近一定被一项新的政策给折磨的焦头烂额,那就是垃圾分类。《上海市生活垃圾管理条例》已经正式实施了,相信还是有很多的小伙伴和我一样,还没有完全搞清楚哪些应该扔在哪个类别里。感觉每天都在学习一遍垃圾分类,真令人头大。

    听说一杯没有喝完的珍珠奶茶应该这么扔
    1、首先,没喝完的奶茶水要倒在水池里
    2、珍珠,水果肉等残渣放进湿垃圾
    3、把杯子要丢入干垃圾
    4、接下来是盖子,如果是带盖子带热饮(比如大部分的热饮),塑料盖是可以归到可回收垃圾的嗷

    看到这里,是不是大家突然都不想喝奶茶了呢,哈哈。不过不要紧,垃圾分类虽然要执行,但是奶茶也可以照喝。

    那么,这里我们想讨论一下,人工智能和数据科学的方法能不能帮助我们进行更好的垃圾分类?这样我们不用为了不知道要扔哪个垃圾箱而烦恼。

    2 思路

    这问题的解决思路或许不止一条。这里只是抛砖引玉一下,提供一些浅显的见解。

    第一种方案,可以把垃圾的信息制成表格化数据,然后用传统的机器学习方法。

    第二种方案,把所有的垃圾分类信息做成知识图谱,每一次的查询就好像是在翻字典一样查阅信息。

    第三种方案,可以借助现在的深度学习方法,来对垃圾进行识别和分类。每次我们给一张垃圾的图片,让模型识别出这是属于哪一种类别的:干垃圾,湿垃圾,有害垃圾还是可回收垃圾。
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    3 图像分类

    图像分类是深度学习的一个经典应用。它的输入是一张图片, 然后经过一些处理,进入一个深度学习的模型,该模型会返回这个图片里垃圾的类别。这里我们考虑四个类别:干垃圾,湿垃圾,有害垃圾还是可回收垃圾。
    报纸 :可回收垃圾

    (报纸 :可回收垃圾 )

    电池 :有害垃圾

    (电池 :有害垃圾 )

    一次性餐盒 :干垃圾

    (一次性餐盒 :干垃圾 )

    我们对图片里的物品进行分类,这是图像处理和识别的领域。人工智能里提出了使用卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)来解决这一类问题。

    我会用keras包和Tensorflow后端来建立模型。 由于训练集的样本暂时比较缺乏,所以这里只能先给一套思路和代码。训练模型的工作之前还得进行一波数据收集。

    我们就先来看看代码大致长什么样吧

    先导入一些必要的包。
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    再做一下准备工作。
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    在上面,我们初始化了一些变量,batch size是128; num_classes = 4,因为需要分类的数量是4,有干垃圾,湿垃圾,有害垃圾和可回收垃圾这四个种类。epochs 是我们要训练的次数。接下来,img_rows, img_cols = 28, 28 我们给了图片的纬度大小。

    在 .reshape(60000,28,28,1)中 , 60000 是图片的数量(可变), 28是图片的大小(可调),并且1是channel的意思,channel = 1 是指黑白照片。 .reshape(10000,28,28,1)也是同理,只是图片数量是10000。

    到了最后两行,我们是把我们目标变量的值转化成一个二分类, 是用一个向量(矩阵)来表示。比如 [1,0,0,0] 是指干垃圾,[0,1,0,0]是指湿垃圾等等。

    接下来是建模的部分。
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    我们加了卷积层和池化层进入模型。激活函数是 relu,relu函数几乎被广泛地使用在了卷积神经网络和深度学习。我们在层与层之间也加了dropout来减少过拟合。Dense layer是用来做类别预测的。

    建完模型后,我们要进行模型的验证,保证准确性在线。
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    到这里,我们的建模预测已经大概完成了。一个好的模型,要不断地去优化它,提高精确度等指标要求,直到达到可以接受的程度。

    这优化的过程,我们在这里就先不深入讨论了,以后继续。

    4 总结

    值得一提的是,尽管方法上是有实现的可能,但是实际操作中肯定要更复杂的多,尤其是对精度有着很高的要求。

    而且当一个图片里面包含着好几种垃圾种类,这也会让我们的分类模型开发变得很复杂,增加了难度。

    比如,我们想要对一杯奶茶进行垃圾分类,照片里面是包含了多个垃圾的种类,这就比较头大了,因为这并不是属于单一的类别。

    前路的困难肯定是有的,不过就当这里的分享是个抛砖引玉的起点吧。

    毕竟李白也说了,“长风破浪会有时,直挂云帆济沧海”。

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    本文全套代码已上传至Github:https://github.com/MiracleYoung/You-are-Pythonista/tree/master/PythonExercise/DataScience/garbage_classification

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