深度学习之数据预处理

数据预处理

https://www.yuque.com/lart/ml-newer

版本号	作者	时间	改动内容
0.1	Lart	2018年10月17日	创建文档
0.2	Lart	2018年10月18日10:55:22	调整结构
0.3	Lart	2018年10月18日11:26:14	补充保存数据的内容

数据预处理

数据归一化

虽然这里有一系列可行的方法,但是这一步通常是根据数据的具体情况而明确选择的. 这一方法对诸如自然图像这类数据是有效的,但对非平稳的数据则不然.特征归一化常用的方法包含如下几种：

• 简单缩放

  通过对数据的每一个维度的值进行重新调节(这些维度可能是相互独立的),使得最终的数据向量 落在 [0,1]或[ -1,1] 的区间内(根据数据情况而定).这对后续的处理十分重要,因为很多 默认参数(如 PCA-白化中的 epsilon)都假定数据已被缩放到合理区间.

  例子 在处理自然图像时,我们获得的像素值在 [0,255] 区间中,常用的处理是将这些像素值除以 255,使它们缩放到 [0,1] 中.

• 逐样本均值消减(也称为移除直流分量)

  前提：数据要求是平稳的.
  对于每个图像样本,减去各自各个通道上的整幅图像的均值.
  因为具体来说,是因为不同色彩通道中的像素并不都存在平稳特性.

  例子 在实验中,在ZCA whitening前进行数据预处理时,每列代表一个样本,但为什么是对patches每一维度0均值化?
  (具体做法是：首先计算每一个维度上数据的均值,使用全体数据计算,之后再每一个维度上都减去该均值)
  而以前的实验都是对每个样本整体进行0均值化(即：逐样本均值消减)?

  1. 因为以前是灰度图,现在是RGB彩色图像,如果现在对每列平均就是对三个通道求平均,这肯定不行.因为不同色彩通道中的像素并不都存在平稳特性,而要进行逐样本均值消减(即：单独每个样本0均值化)有一个必须满足的前提：该数据是平稳的.
  2. 因为以前是自然图像,自然图像中像素之间的统计特性都一样,有一定的相关性,而现在是人工分割的图像块,没有这种特性.

• 特征标准化(使数据集中所有特征都具有 零均值和单位方差)

  独立地使得数据的每一个维度具有零均值和单位方差.
  这是归一化中最常见的方法并被广泛地使用.

  特征标准化的具体做法是：

  1. 首先 计算每一个维度上数据的均值 (使用全体数据计算)
  2. 之后在 每一个维度上都减去该均值
  3. 下一步便是在数据的 每一维度上除以该维度上数据的标准差.

  例子

  • 在使用支持向量机(SVM)时,特征标准化常被建议用作预处理的一部分.
  • 处理音频数据时,常用 Mel 倒频系数 MFCCs 来表征数据.然而MFCC特征的第一个分量(表示直流分量)数值太大,常常会掩盖其他分量.这种情况下,为了平衡各个分量的影响,通常对特征的每个分量独立地使用标准化处理.

白化(协方差矩阵为单位矩阵)

https://blog.csdn.net/danieljianfeng/article/details/42147109

白化可以降低输入的冗余性,降低特征之间的相关性,使得所有的特征具有相同的方差.

在做完简单的归一化后,白化通常会被用来作为接下来的预处理步骤,它会使我们的算法工作得更好.实际上许多深度学习算法都依赖于白化来获得好的特征.

在进行白化时,首先使 特征零均值化 是很有必要的.

白化处理分PCA白化和ZCA白化.

• PCA白化 先PCA进行 基转换 ,降低数据的相关性,再对每个输入特征进行__缩放__(除以各自的特征值的开方),以获得单位方差.此时的协方差矩阵为单位矩阵I.
• ZCA白化 ZCA白化只是在 PCA白化 的基础上做了一个 逆映射操作 ,使数据转换为原始基下,使得白化之后的数据更加的接近原始数据.

ZCA白化首先通过PCA去除了各个特征之间的相关性,然后使得输入特征具有相同方差,此时得到PCA白化后的处理结果.然后再把数据旋转回去,得到ZCA白化的处理结果.

二者的差异:

1. PCA白化保证数据各维度的方差为1,ZCA白化保证数据各维度的 方差相同
2. PCA白化可以用于降维也可以去相关性,而ZCA白化主要用于去相关性,且尽量使白化后的数据__接近原始输入数据__.

# 假设输入数据矩阵X的尺寸为[N x D]
X -= np.mean(X, axis = 0) # 对数据进行零中心化(重要)
cov = np.dot(X.T, X) / X.shape[0] # 得到数据的协方差矩阵
U,S,V = np.linalg.svd(cov)
Xrot = np.dot(X, U) # 对数据去相关性

# 对数据进行白化操作 除以特征值->PCA白化
Xwhite = Xrot / np.sqrt(S + 1e-5)

# 转换为原始基->ZCA白化
Xzcawhite = np.dot(Xwhite, U.T)

注意 对于大图像,采用基于 PCA/ZCA 的白化方法是不切实际的,因为协方差矩阵太大.在这些情况下我们退而使用 1/f 白化方法.

接下来在 PCA/ZCA 白化中我们需要选择合适的 epsilon（回忆一下,这是规则化项,对数据有低通滤波作用）. 选取合适的 epsilon 值对特征学习起着很大作用,这里可以看ML预处理.md文档 PCA/ZCA白化 一节.

---

实际建议

在卷积神经网络中并不会采用这些PCA以及白化变换.然而对数据进行零中心化操作还是非常重要的,对每个像素进行归一化也很常见.

在这一部分中,我们将介绍几种在一些数据集上有良好表现的预处理标准流程.

• 自然灰度图像

均值消减->PCS/ZCA白化

灰度图像具有平稳特性,通常在第一步对每个数据样本分别做均值消减(即减去直流分量),然后采用 PCA/ZCA 白化处理.

其中的 epsilon 要__足够大以达到低通滤波__的效果.

• 彩色图像

分通道均值消减->PCA/ZCA白化

对于彩色图像,色彩通道间并不存在平稳特性.通常需要分通道均值消减,并且对数据进行特征缩放(使像素值位于 [0,1] 区间).

使用足够大的 epsilon 来做 PCA/ZCA.

• 音频 (MFCC/频谱图)

特征标准化->PCA/ZCA 白化

对于音频数据 (MFCC 和频谱图),每一维度的取值范围(方差)不同.

即使得数据的每一维度均值为0、方差为1,然后进行PCA/ZCA白化(使用合适的 epsilon).

• MNIST 手写数字

简单缩放/逐样本均值消减(->PCA/ZCA 白化)

MNIST 数据集的像素值在 [0,255] 区间中.我们首先将其缩放到 [0,1] 区间.

实际上,进行逐样本均值消去也有助于特征学习.

注：也可选择以对 MNIST 进行 PCA/ZCA 白化,但这在实践中不常用.

---

one-hot独热编码(离散数据)

独热编码即 One-Hot 编码,又称一位有效编码,其方法是__使用N位状态寄存器来对N个状态进行编码__,每个状态都由他独立的寄存器位,并且__在任意时候,其中只有一位有效__.

可以这样理解,对于每一个特征,如果它有m个可能值,那么经过独热编码后,就变成了m个二元特征.并且,这些特征互斥,每次只有一个激活.因此,数据会变成稀疏的.

稀疏数据相比密集数据而言,对于计算机加载处理也更为有优势.

这样做的好处主要有：

1. 解决了分类器不好处理属性数据的问题
2. 在一定程度上也起到了扩充特征的作用

---

实际建议

对于标签数据可以转化为独热编码形式,这对于网络的分类输出而言,是更为实际的表达形式.

from keras.utils import np_utils
...
Y_train = np_utils.to_categorical(y_train, num_classes)

而对于真实的类别序号可以通过使用NumPy argmax() 函数来找到(这里的查找,也不一定对one-hot后的数据进行查找,对于得分数据亦可以,对于softmax计算后的也可以,因为是增函数).

---

数据增强(数据量有限)

https://blog.csdn.net/mzpmzk/article/details/80039481
https://blog.csdn.net/u010555688/article/details/60757932?utm_source=blogxgwz1

深层神经网络一般都需要大量的训练数据才能获得比较理想的结果。在 数据量有限的情况 下，可以通过数据增强（Data Augmentation）来增加训练样本的多样性， 提高模型鲁棒性，避免过拟合。

图片数据增强通常只是针对训练数据，对于测试数据则用得较少。测试数据常用的是：做 5 次随机剪裁，然后将 5 张图片的预测结果做均值。

常用手段:

• 翻转flip
• 旋转rotation
• 平移shift
• 缩放resize/尺度变换Random Scale
• 随机裁剪或补零Random Crop or Pad
• 色彩抖动Color jittering:HSV颜色空间随机改变图像原有的饱和度和明度（即，改变 S 和 V 通道的值）或对色调(Hue)进行小范围微调。
• 对比度变换contrast:在图像的HSV颜色空间，改变饱和度S和V亮度分量，保持色调H不变. 对每个像素的S和V分量进行指数运算(指数因子在0.25到4之间), 增加光照变化;
• PCA抖动PCA Jittering：首先按照RGB三个颜色通道计算均值和标准差，再在整个训练集上计算协方差矩阵，进行特征分解，得到特征向量和特征值，用来做PCA Jittering；
• 加噪声（Noise）
• 特殊的数据增强方法：
  • Fancy PCA（Alexnet）& 监督式数据扩充（海康）
  • 使用生成对抗网络（GAN） 生成模拟图像

保存数据

将训练集数据/标签,以及测试数据(可能有的标签),都事先处理后, 并转化好 .npy 或者其他的整合的数据文件, 便于后期的分布处理,而且也可以减少训练过程在读入数据上的处理时间.

https://gist.github.com/lartpang/e2343fb06f25b36a8af03e68923dea06

补充

1. 处理离散型特征和连续型特征并存的情况时,必须进行特征的归一化,每个特征都单独进行归一化.对于连续型特征归一化的常用方法是放缩后标准化,对于离散的特征基本就是按照one-hot编码,该离散特征有多少取值,就用多少维来表示该特征.

2. 基于树的方法是不需要进行特征的归一化,例如随机森林, bagging 和 boosting等.基于参数的模型或基于距离的模型,都是要进行特征的归一化.

3. 进行预处理很重要的一点是：任何预处理策略（比如数据均值）都 只能在训练集数据上进行计算,算法训练完毕后再应用到验证集或者测试集上。

   例子 如果先计算整个数据集图像的平均值然后每张图片都减去平均值，最后将整个数据集分成训练/验证/测试集，那么这个做法是错误的。应该怎么做呢？应该先分成训练/验证/测试集，只是从训练集中求图片平均值，然后各个集（训练/验证/测试集）中的图像再减去这个平均值。

4. 对于神经网络模型而言,图片需要进行预处理的原因：

   1. 适应神经网络结构：网络结构可以接收的数据格式/类型是固定的，因此在训练过程之前，需要将训练样本预处理成为可以被神经网络读取的格式/类型；
   2. 对训练样本进行 提纯：训练样本中可能存在“不好的数据”，通过预处理手段，可以将这部分数据剔除掉，或者消除掉它的影响,训练图片是越“纯”越好，也就是让网络只关注你想让它记住的；
   3. 进行数据 增强：对训练样本进行预处理，可以增加数据的多样性。例如通过旋转、镜像、裁切等手段，将图片的空间多样性呈现出来，据此训练出来的模型也将具有更好的鲁棒性,可以提升泛化能力.
      数据增强的目的是增加样本数量，这在数据很少的情况下是非常有效的，Caffe自己的数据输入层自带裁剪、镜像等功能，一般做法是把训练数据放大到输入尺寸的1.1倍左右，然后随机裁剪到输入尺寸，这个效果非常好。
      不好的数据增强容易带来模型过拟合，因为我们只是增加了数据并非泛化了数据分布；
   4. 数据归一化：预处理可以将不同规格的数据转换成相同规格的训练数据，最典型的的例子就是图片的尺寸归一化。
      上面提到的减均值除以方差的方式，在Batch Normalization(BN)出现之前是很有必要的，因为这样拉到均值附近，学习的时候更加容易，毕竟激活函数是以均值为中心的，学习到这个位置才能将不同的类分开。
      但是__BN出现之后，这个操作就完全没必要__了，因为每次卷积后都有BN操作，BN就是把数据拉到0均值1方差的分布，而且这个均值和方差是动态统计的，不是只在原始输入上统计，因此更加准确。即采用BN后该预处理无必要。
   5. 压缩数据体积：预处理还可以减小训练数据的尺寸。例如原始数据是FHD尺寸的，若压缩至QQVGA则会大幅缩减数据体积;
   6. 将数据处理为某种组织形式的存储格式，比如tfrecord，这是为了加速训练，这一步可不得小觑，大的模型训练是非常耗时的，提前做预处理可节省不少时间还可降低对设备内存要求等；
   7. 如果训练数据存在极度不均衡情况，那么需要做图像预处理，欠采样或过采样或补充，目的是不让模型结果偏向于数据大的类别；