PyTorch教程-5:详解PyTorch中加载数据的方法--Dataset、Dataloader、Sampler、collate_fn等

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PyTorch教程-5:详解PyTorch中加载数据的方法–Dataset、Dataloader、Sampler、collate_fn等

数据读取是所有训练模型任务中最基础最重要的一步,PyTorch为数据集的读取、加载和使用提供了很好的机制,使得数据加载的工作变得异常简单而且具有非常高的定制性。

Dataset、Dataloader、Sampler的关系

PyTorch中对于数据集的处理有三个非常重要的类:DatasetDataloaderSampler,它们均是 torch.utils.data 包下的模块(类)。它们的关系可以这样理解:

  • Dataset是数据集的类,主要用于定义数据集
  • Sampler是采样器的类,用于定义从数据集中选出数据的规则,比如是随机取数据还是按照顺序取等等
  • Dataloader是数据的加载类,它是对于DatasetSampler的进一步包装,即其实DatasetSampler会作为参数传递给Dataloader,用于实际读取数据,可以理解为它是这个工作的真正实践者,而DatasetSampler负责定义。我们训练、测试所获得的数据也是Dataloader直接给我们的。

总的来说Dataset定义了整个数据集,Sampler提供了取数据的机制,最后由Dataloader取完成取数据的任务。

本篇以一个最简单的例子为例,比如有一个文件夹(data-folder)中存储训练的数据(一共30张图片:0.png 到 29.png),他们对应的标签被写在了一个labels.txt文件中,第n行对应n-1.png的标签,是一个三分类问题,即0、1和2三种标签(虚构的数据集,不具有任何意义)。目录结构如下:

|--- Project
   |--- main.py
   |--- labels.txt
   |--- data-folder
      |--- 0.png
      |--- 1.png
      |--- ……
      |--- 29.png

Dataset

Dataset 位于 torch.utils.data 下,我们通过定义继承自这个类的子类来自定义数据集。它有两个最重要的方法需要重写,实际上它们都是类的特殊方法:

  • __getitem__(self, index):传入参数index为下标,返回数据集中对应下标的数据组(数据和标签)
  • __len__(self):返回数据集的大小

简单说,重写了这两个方法的继承自 Dataset 的类都可以作为数据集的定义类使用,即一个Dataset类的必要结构:

class Dataset(torch.utils.data.Dataset):
    def __init__(self, filepath=None,dataLen=None):
        pass
        
    def __getitem__(self, index):
        pass

    def __len__(self):
        pass

如下就是我们的例子的加载实例,其中的 image2tensor 使用了torchvision.transforms 完成了一个简单的从PIL.Image 格式的图片到 tensor 的转换,可以先不必在意,后面会详细地讲到 transforms 这个超级重要的工具:

from torch.utils.data import Dataset
from PIL import Image
import os
from torchvision import transforms


class MyDataset(Dataset):
    def __init__(self, images_folder_path, labels_file_path):
        self.images_folder_path = images_folder_path

        with open(labels_file_path, 'r') as file:
            self.labels = list(map(int, file.read().splitlines()))

    def __getitem__(self, item):
        image = Image.open(os.path.join(self.images_folder_path, "{}.png".format(item)))
        image = self.image2tensor(image)
        label = self.labels[item]

        return (image, label)

    def __len__(self):
        return len(self.labels)

    def image2tensor(self, image):
        """
        transform PIL.Image to tensor
        :param image: image in PIL.Image format
        :return: image in tensor format
        """
        transform = transforms.Compose([
            transforms.ToTensor()
        ])
        image = image.convert('RGB')
        return transform(image)


myDataset = MyDataset("./data-folder/", "./labels.txt")

Dataloader

DataloaderDataset(和Sampler等)打包,完成最后对数据的读取的执行工作,一般不需要自己定义或者重写一个Dataloader的类(或子类),直接使用即可,通过传入参数定制Dataloader,定制化的功能应该在Dataset(和Sampler等)中完成了。

Dataloader的完整签名见:https://pytorch.org/docs/stable/data.html#torch.utils.data.DataLoader

Dataloader的一些常用参数

Dataloader的一些重要的参数如下,除了第一个dataset参数外,其他均为可选参数

  • dataset(第一个参数,必须的参数):一个Dataset的实例,即传入的数据集(或者其他可迭代对象)
  • batch_size:整数值,每个batch的样本数量,即batch大小,默认为1
  • shuffle:bool值,如果设置为True,则在每个epoch开始的时候,会对数据集的数据进行重新排序,默认False
  • sampler:传入一个自定义的Sampler实例,定义从数据集中取样本的策略,Sampler每次返回一个索引,默认为None
  • batch_sampler:也是传入一个自定义的Sampler实例,但是与sampler参数不同的是,它接收的Sampler是一次返回一个batch的索引,默认为None
  • num_workers:整数值,定义有几个进程来处理数据。0意味着所有的数据都会被加载进主进程,默认0
  • collate_fn:传入一个函数,它的作用是将一个batch的样本打包成一个大的tensortensor的第一维就是这些样本,如果没有特殊需求可以保持默认即可(后边会详细介绍
  • pin_memory:bool值,如果为True,那么将加载的数据拷贝到CUDA中的固定内存中。
  • drop_last:bool值,如果为True,则对最后的一个batch来说,如果不足batch_size个样本了就舍弃,如果为False,也会继续正常执行,只是最后的一个batch可能会小一点(剩多少算多少),默认False
  • timeout:如果是正数,表明等待从加载一个batch等待的时间,若超出设定的时间还没有加载完,就放弃这个batch,如果是0,表示不设置限制时间。默认为0

Dataloader参数之间的互斥

值得注意的是,Dataloader的参数之间存在互斥的情况,主要针对自己定义的采样器:

  • sampler:如果自行指定了sampler参数,则shuffle必须保持默认值,即False
  • batch_sampler:如果自行指定了batch_sampler参数,则 batch_sizeshufflesamplerdrop_last 都必须保持默认值

如果没有指定自己是采样器,那么默认的情况下(即samplerbatch_sampler均为None的情况下),dataloader的采样策略是如何的呢:

  • sampler
    • shuffle = Truesampler采用 RandomSampler,即随机采样
    • shuffle = Flasesampler采用 SequentialSampler,即按照顺序采样
  • batch_sampler:采用 BatchSampler,即根据 batch_size 进行batch采样

上面提到的 RandomSamplerSequentialSamplerBatchSampler都是PyTorch自己实现的,且它们都是Sampler的子类,后边会详述

Dataloader的实例

下面我们继续我们的例子,定义Dataloader的实例,从我们定义的 myDataset 数据集中加载数据,每一个batch大小为8。并且我们使用了一个循环来验证其工作的情况:

from torch.utils.data import DataLoader

myDataloader = DataLoader(myDataset, batch_size=8)

for epoch in range(2):
    for data in myDataloader:
        images, labels = data[0], data[1]
        print(len(images))
        print(labels)
        # train your module

8
tensor([0, 1, 1, 1, 2, 0, 1, 2])
8
tensor([0, 2, 1, 1, 1, 1, 2, 0])
8
tensor([1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0])
6
tensor([2, 0, 1, 1, 1, 2])
8
tensor([0, 1, 1, 1, 2, 0, 1, 2])
8
tensor([0, 2, 1, 1, 1, 1, 2, 0])
8
tensor([1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0])
6
tensor([2, 0, 1, 1, 1, 2])

Sampler

Sampler类是一个很抽象的父类,其主要用于设置从一个序列中返回样本的规则,即采样的规则。Sampler是一个可迭代对象,使用step方法可以返回下一个迭代后的结果,因此其主要的类方法就是 __iter__ 方法,定义了迭代后返回的内容。其父类的代码如下(PyTorch 1.7):

class Sampler(Generic[T_co]):
    def __init__(self, data_source: Optional[Sized]) -> None:
        pass

    def __iter__(self) -> Iterator[T_co]:
        raise NotImplementedError

从上述代码可见,其实Sampler父类并没有给出__iter__ 的具体定义,因此,如果我们要定义自己的采样器,就要编写继承自Sampler的子类,并且重写__iter__ 方法给出迭代返回样本的逻辑。

但是,正如上文提到的,Dataloader中的samplerbatch_sampler参数默认情况下使用的那些采样器(RandomSamplerSequentialSamplerBatchSampler)一样,PyTorch自己实现了很多Sampler的子类,这些采样器其实可以完成大部分功能,所以本节主要关注一些Sampler子类以及他们的用法,而不过多地讨论如何自己实现一个Sampler。

SequentialSampler

SequentialSampler就是一个按照顺序进行采样的采样器,接收一个数据集做参数(实际上任何可迭代对象都可),按照顺序对其进行采样:

from torch.utils.data import SequentialSampler

pseudo_dataset = list(range(10))
for data in SequentialSampler(pseudo_dataset):
    print(data, end=" ")

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 

RandmSampler

RandomSampler 即一个随机采样器,返回随机采样的值,第一个参数依然是一个数据集(或可迭代对象)。还有一组参数如下:

  • replacement:bool值,默认是False,设置为True时表示可以采出重复的样本
  • num_samples:只有在replacement设置为True的时候才能设置此参数,表示要采出样本的个数,默认为数据集的总长度。有时候由于replacementTrue的原因导致重复数据被采样,导致有些数据被采不到,所以往往会设置一个比较大的值
from torch.utils.data import RandomSampler

pseudo_dataset = list(range(10))

randomSampler1 = RandomSampler(pseudo_dataset)
randomSampler2 = RandomSampler(pseudo_dataset, replacement=True, num_samples=20)

print("for random sampler #1: ")
for data in randomSampler1:
    print(data, end=" ")

print("\n\nfor random sampler #2: ")
for data in randomSampler2:
    print(data, end=" ")

for random sampler #1: 
4 5 2 9 3 0 6 8 7 1 

for random sampler #2: 
4 9 0 6 9 3 1 6 1 8 5 0 2 7 2 8 6 4 0 6 

SubsetRandomSampler

SubsetRandomSampler 可以设置子集的随机采样,多用于将数据集分成多个集合,比如训练集和验证集的时候使用:

from torch.utils.data import SubsetRandomSampler

pseudo_dataset = list(range(10))

subRandomSampler1 = SubsetRandomSampler(pseudo_dataset[:7])
subRandomSampler2 = SubsetRandomSampler(pseudo_dataset[7:])

print("for subset random sampler #1: ")
for data in subRandomSampler1:
    print(data, end=" ")

print("\n\nfor subset random sampler #2: ")
for data in subRandomSampler2:
    print(data, end=" ")

for subset random sampler #1: 
0 4 6 5 3 2 1 

for subset random sampler #2: 
7 8 9 

WeightedRandomSampler

WeightedRandomSamplerRandomSampler的参数一致,但是不在传入一个dataset,第一个参数变成了weights,只接收一个一定长度的list作为 weights 参数,表示采样的权重,采样时会根据权重随机从 list(range(len(weights))) 中采样,即WeightedRandomSampler并不需要传入样本集,而是只在一个根据weights长度创建的数组中采样,所以采样的结果可能需要进一步处理才能使用。weights的所有元素之和不需要为1

from torch.utils.data import WeightedRandomSampler

pseudo_dataset = list(range(10))
weights = [1,1,1,1,1,10,10,10,10,10]

weightedRandomSampler = WeightedRandomSampler(weights, replacement=True, num_samples=20)

for data in weightedRandomSampler:
    print(data, end=" ")

7 8 7 7 9 7 8 9 8 7 5 5 9 9 6 5 8 9 6 5 

BatchSampler

以上的四个Sampler在每次迭代都只返回一个索引,而BatchSampler的作用是对上述这类返回一个索引的采样器进行包装,按照设定的batch size返回一组索引,因其他的参数和上述的有些不同:

  • sampler:一个Sampler对象(或者一个可迭代对象)
  • batch_size:batch的大小
  • drop_last:是否丢弃最后一个可能不足batch size大小的数据
from torch.utils.data import BatchSampler
pseudo_dataset = list(range(10))

batchSampler1 = BatchSampler(pseudo_dataset, batch_size=3, drop_last=False)
batchSampler2 = BatchSampler(pseudo_dataset, batch_size=3, drop_last=True)

print("for batch sampler #1: ")
for data in batchSampler1:
    print(data, end=" ")

print("\n\nfor batch sampler #2: ")
for data in batchSampler2:
    print(data, end=" ")

for batch sampler #1: 
[0, 1, 2] [3, 4, 5] [6, 7, 8] [9] 

for batch sampler #2: 
[0, 1, 2] [3, 4, 5] [6, 7, 8] 

collate_fn参数

Dataloader其实还有一个比较重要的参数是 collate_fn,它接收一个 callable 对象,比如一个函数,它的作用是将每次迭代出来的数据打包成batch。

举个例子,如果我们在Dataloader中设置了batch_size8,实际上,从Dataloader所读取的数据集Dataset中取出数据时得到的是单独的数据,比如我们的例子中,每次采样得到一个tuple:(image, label),因此collate_fn 的作用就有了,它负责包装batch,即每从数据集中抽出8个这样的tuple,它负责把8个(image, label)包装成一个list: [images, labels],这个list有两个元素,每一个是一个tensor,比如第一个元素,实际上是一个 8×size(image) 的tensor,即给原来的数据增加了一维,也就是最前边的batch的维度,labels也同理。

有时候我们可能会需要实现自己的包装逻辑,所以需要自定义一个函数来完成定制化的如上的内容,只要将该函数名传递给collate_fn参数即可。

PyTorch集成的数据集

实际上,PyTorch提供了很多常用数据集的接口,如果使用这些数据集的话,可以直接使用对应的包加载,会方便很多,比如:

  • torchvision.datasets 就提供了很多视觉方向的数据集:https://pytorch.org/docs/stable/torchvision/datasets.html?highlight=torchvision datasets
  • torchtext 则提供了很多文本处理方向的数据集
  • torchaudio 提供了很多音频处理方向的数据集
    等等

当然PyTorch也可以配合其他包来获得数据以及对数据进行处理,比如:

  • 对于视觉方面,配合Pillow、OpenCV等
  • 对于音频处理方面,配合scipy、librosa等
  • 对于文本处理方面,配合Cython、NLTK、SpaCy等

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