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# trash-division
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一个基于卷积神经网络的垃圾分类识别系统
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> 同济大学 Python 人工智能程序设计课程小组作业
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基于 ResNet-34 架构的 CNN 模型（约 21M 参数），将生活垃圾分为厨余垃圾、可回收物、其他垃圾、有害垃圾四个类别，输入为 256×256 RGB 图像。
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## 目录
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- [项目特点](#项目特点)
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- [模型架构](#模型架构)
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- [数据集](#数据集)
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- [环境要求](#环境要求)
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- [快速开始](#快速开始)
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- [文件说明](#文件说明)
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- [目录结构](#目录结构)
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- [训练细节](#训练细节)
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- [评估与可视化](#评估与可视化)
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- [许可证](#许可证)
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## 项目特点
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- **四类垃圾分类**：厨余垃圾（1）、可回收物（2）、其他垃圾（3）、有害垃圾（4）
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- **ResNet-34 架构**：约 21M 参数，34 层深度残差网络，含 Dropout 正则化
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- **数据增强**：训练时使用随机裁剪、水平翻转、旋转、色彩抖动
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- **Macro-F1 评估**：采用宏平均 F1 分数作为主要评估指标，兼顾各类别表现
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- **类别加权损失**：自动计算类别权重，缓解类别不平衡问题
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- **余弦退火学习率调度**：使用 CosineAnnealingLR 平滑调整学习率
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- **断点续训**：自动检测 `best_model.pth` 并加载继续训练
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- **多设备支持**：自动选择 CUDA > Intel XPU > CPU
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## 模型架构
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模型基于标准 ResNet-34 架构，使用 BasicBlock 构建。
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### BasicBlock 块
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每个 BasicBlock 包含两个 3x3 卷积层 + 跳跃连接：
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| 层 | 卷积 | 作用 |
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|---|---|---|
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| 3x3 Conv | 特征提取 | 第一层卷积 |
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| 3x3 Conv | 特征提取 | 第二层卷积 |
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### 网络结构
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| 阶段 | 块数 | 输出通道数 | 说明 |
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|---|---|---|---|
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| 初始层 | - | 64 | 7x7 Conv, stride=2 + MaxPool |
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| Layer1 | 3 | 64 | 第一个残差阶段 |
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| Layer2 | 4 | 128 | - |
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| Layer3 | 6 | 256 | - |
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| Layer4 | 3 | 512 | 最终残差阶段 |
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| 分类头 | - | 4 | 全局平均池化 + Dropout + 全连接层 |
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## 数据集
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本项目使用 [tany0699/garbage265](https://modelscope.cn/datasets/tany0699/garbage265) 中文生活垃圾分类数据集，包含 265 个子类别的生活垃圾图片。
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通过 `Merge_classes.py` 脚本将 265 个子类别合并为 4 个顶级类别：
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```
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厨余垃圾 -> 1
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可回收物 -> 2
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其他垃圾 -> 3
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有害垃圾 -> 4
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```
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数据集预期放置在 `../trash_division_data/`（与项目根目录平级的兄弟目录）。
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## 环境要求
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本项目无 `requirements.txt`，需手动安装以下依赖：
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- Python 3.8+
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- PyTorch（推荐 1.10+）
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- torchvision
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- tqdm
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- matplotlib
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- pandas
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- Pillow
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- torchsummary
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- scikit-learn（仅 `Evaluate.py` 需要）
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- scikit-image（仅 `baseline/HOG_Baseline.py` 需要）
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## 快速开始
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1. **数据预处理**：将 265 个子类别合并为 4 个顶级类别
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```bash
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python Merge_classes.py
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```
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2. **训练模型**：
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```bash
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python Train.py
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```
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3. **微调模型**（可选，冻结浅层、微调深层）：
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```bash
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python Finetune.py
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```
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4. **评估与可视化**：
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```bash
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python Evaluate.py # 混淆矩阵、ROC 曲线、PR 曲线
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python Curve.py # 训练过程的 loss/f1/acc/lr 曲线
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python baseline/compare_models.py # 多模型基线对比（ROC/PR/准确率）
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```
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> **注意**：
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> - 数据目录默认为 `../trash_division_data/ultimate_4_class/`，需先运行合并脚本
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> - Windows 系统需将 `num_workers` 设为 `0`（参见 `Dataloader.py` 和 `Train.py`）
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> - 训练会自动从 `best_model.pth` 断点续训（若存在）
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## 文件说明
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| 文件 | 功能 |
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|---|---|
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| `Train.py` | 训练主脚本，包含训练循环、验证、评估 |
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| `Finetune.py` | 微调脚本，冻结浅层后微调深层网络 |
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| `Dataloader.py` | 数据加载模块，包含 RobustImageFolder 和 DataLoader 创建 |
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| `Model.py` | 模型定义，ResNet-34（BasicBlock）+ Dropout |
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| `Merge_classes.py` | 数据集预处理，265 类合并为 4 类 |
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| `Evaluate.py` | 模型评估，绘制混淆矩阵、ROC 曲线、PR 曲线 |
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| `Curve.py` | 训练曲线绘制，从 CSV 读取并绘制 loss/f1/acc/lr 曲线 |
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| `baseline/VGG_KNN.py` | VGG16 预训练特征提取 + KNN 四分类基线 |
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| `baseline/ResNet34_Pretrained_10pct.py` | ResNet-34 ImageNet 预训练 + 10% 数据微调 |
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| `baseline/HOG_Baseline.py` | HOG + 颜色直方图 + LogisticRegression（纯传统 CV） |
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| `baseline/compare_models.py` | 多模型对比（ROC / PR 曲线 + 准确率柱状图） |
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| `training_log.csv` | 训练日志，记录每轮 epoch 的 loss、f1、acc、lr |
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| `best_model.pth` | 训练好的最佳模型权重（约 125 MB，不纳入版本控制） |
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| `THIRD_PARTY_LICENSES.md` | 第三方数据集许可证声明 |
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## 目录结构
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```
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trash-division/
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├── baseline/ # 基线模型目录
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│ ├── VGG_KNN.py # VGG16 + KNN 分类脚本
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│ ├── ResNet34_Pretrained_10pct.py # ResNet-34 ImageNet 预训练 + 10% 微调
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│ ├── HOG_Baseline.py # HOG + LogisticRegression 纯传统基线
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│ ├── compare_models.py # 多模型对比脚本
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│ ├── roc_comparison.png # 多模型 ROC 对比（compare_models.py 输出）
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│ ├── pr_comparison.png # 多模型 PR 对比（compare_models.py 输出）
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│ └── accuracy_bar.png # 多模型准确率对比（compare_models.py 输出）
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├── best_model.pth # 最佳模型权重（不纳入版本控制）
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├── Curve.py # 训练曲线绘制脚本
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├── Dataloader.py # 数据加载模块
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├── Evaluate.py # 模型评估可视化脚本
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├── Finetune.py # 微调脚本
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├── .gitattributes # Git 属性配置
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├── LICENSE # MIT 许可证
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├── Merge_classes.py # 数据集预处理脚本
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├── Model.py # 模型定义
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├── README.md # 项目说明（本文件）
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├── THIRD_PARTY_LICENSES.md # 第三方许可证声明
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├── Train.py # 训练主脚本
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├── training_log.csv # 训练日志
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├── confusion_matrix.png # 混淆矩阵（Evaluate.py 输出）
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├── roc_curve.png # ROC 曲线（Evaluate.py 输出）
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├── pr_curve.png # PR 曲线（Evaluate.py 输出）
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└── training_curves.png # 训练曲线（Curve.py 输出）
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```
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## 训练细节
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| 配置项 | 说明 |
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|---|---|
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| 输入尺寸 | 256 x 256 RGB |
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| 优化器 | SGD（momentum=0.9, weight_decay=1e-4） |
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| 初始学习率 | 0.001 |
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| 学习率调度 | CosineAnnealingLR |
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| 损失函数 | 类别加权 CrossEntropyLoss |
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| 评估指标 | Macro-F1（宏平均 F1 分数） |
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| 批量大小 | 默认 16（可通过参数调整） |
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| 训练轮数 | 默认 20（可通过参数调整） |
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| 设备选择优先级 | CUDA > Intel XPU > CPU |
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| 断点续训 | 自动检测 best_model.pth 并加载 |
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训练时数据增强管线：RandomResizedCrop(256, scale=(0.8, 1.0)) + RandomHorizontalFlip(p=0.5) + RandomRotation(+-15 deg) + ColorJitter(brightness=0.2, contrast=0.2, saturation=0.2)
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## 评估与可视化
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训练完成后，`training_log.csv` 会记录每个 epoch 的训练/验证指标。以下两个脚本用于可视化分析：
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### Evaluate.py — 模型评估
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在验证集上推理，生成三张评估图表：
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```bash
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python Evaluate.py
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```
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脚本顶部的 `MODEL_PATH`、`DATA_ROOT`、`BATCH_SIZE`、`NUM_WORKERS` 可按需修改。
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**混淆矩阵**
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**ROC 曲线**
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**PR 曲线**
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### Curve.py — 训练曲线
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从 `training_log.csv` 读取训练日志，绘制四张子图：
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```bash
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python Curve.py
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```
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### 基线模型对比
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`compare_models.py` 对所有模型在验证集上统一评估，生成三张对比图表：
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```bash
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python baseline/compare_models.py
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```
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对比阵容：ResNet-34、ResNet-34 (10% Fine-tune)、VGG16 + KNN、HOG + LogisticRegression。
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**ROC 曲线对比**
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**PR 曲线对比**
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**准确率柱状图**
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## 许可证
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本项目主代码采用 [MIT 许可证](LICENSE)。
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本项目包含的数据集 `tany0699/garbage265` 采用 [Apache License 2.0](THIRD_PARTY_LICENSES.md)，详情请参阅 `THIRD_PARTY_LICENSES.md` 文件。
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