PyTorch Week 2——transforms图像增强

系列文章目录

PyTorch Week 2——Dataloader与Dataset

PyTorch Week 1

PyTorch Week 2——transforms图像增强

  • 系列文章目录
  • 一、transforms初体验
    • transforms.Compose 有序组合数据增强方法,并依次执行
  • 二、transforms.Normalize——逐个channel对图像进行标准化
    • 1.步入代码查看实现
    • 2.原理——训练数据分布对于训练效果有影响
  • 三、二十二种图像预处理方法
    • transform_invert可视化代码解读
    • Crop
      • 1 transforms.CenterCrop
      • 2 transforms.RandomCrop随机选择一个角进行剪切
      • 3 transforms.RandomCrop随机大小、长宽比裁剪图片
      • 4 transforms.FiveCrop() 5 transforms.TenCrop()
    • Flip翻转
      • 6 RandomHorizontalFlip(),7 RandomVerticalFlip()
    • Rotation旋转
      • 8 RandomRotation
    • 图像变换
      • 9 Pad
      • 10 ColorJitter 调整亮度、对比度、饱和度和色相
      • 11 Grayscale、12 RandomGrayscale将图片转化为灰度图,可以设置输出通道数
      • 13 RandomAffine仿射变换,旋转、平移、缩放、错切和翻转
      • 15 RandomErasing 随机遮挡
      • 16 Lambda 用户自定义lambda方法
      • 17 Resize 18 Totensor 19 Normalize
  • 四、transforms的操作,如何选择
      • 20 RandomChoice 随机选择一个操作执行
      • 21 RandomApply 依照概率,执行所有操作
      • 22 RandomOrder 随机顺序执行所有操作
  • 五、自定义transforms
    • 注意
    • 自定义transforms增加椒盐噪声
  • 六、 数据增强实战应用
    • RMB分类实战
  • 七、作业
    • 1
    • 2.
    • 1.
  • 总结


tansform初体验,二十二种图像增强方法,以及图像增强的使用原则


一、transforms初体验

transforms.Compose 有序组合数据增强方法,并依次执行

train_transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize((32, 32)),#图像缩放至32*32
    transforms.RandomCrop(32, padding=4),#随机裁剪
    transforms.ToTensor(),#转化为张量并归一化
    transforms.Normalize(norm_mean, norm_std),#标准化
])

valid_transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize((32, 32)),#验证集不需要做数据增强
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize(norm_mean, norm_std),
])

Dataset的__getitem__中调用了transform方法,每次只传入一张图片

    def __getitem__(self, index):
        path_img, label = self.data_info[index]
        img = Image.open(path_img).convert('RGB')     # 0~255

        if self.transform is not None:
            img = self.transform(img)   # 在这里做transform,转为tensor等等

        return img, label

进入transform.compose的__call__

    def __call__(self, img):
        for t in self.transforms:#循环transform.compose组合的每一个transform方法,依次执行
            img = t(img)
        return img

二、transforms.Normalize——逐个channel对图像进行标准化

1.步入代码查看实现

    if not inplace:
        tensor = tensor.clone()

    dtype = tensor.dtype
    mean = torch.as_tensor(mean, dtype=dtype, device=tensor.device)
    std = torch.as_tensor(std, dtype=dtype, device=tensor.device)
    if (std == 0).any():
        raise ValueError('std evaluated to zero after conversion to {}, leading to division by zero.'.format(dtype))
    if mean.ndim == 1:
        mean = mean.view(-1, 1, 1)
    if std.ndim == 1:
        std = std.view(-1, 1, 1)
    tensor.sub_(mean).div_(std)#减去均值,除以标准差
    return tensor

2.原理——训练数据分布对于训练效果有影响

如图红框中,红色数据的均值为1.71+1 = 2.7 ,蓝色数据的均值为-1.71+1=-0.7,两数据的方差均为1
训练在380epoch时停止,accracy=99.5%
PyTorch Week 2——transforms图像增强_第1张图片
当改变数据分布,红色数据均值为1.71+5=6.7,蓝色数据为-1.71+5=3.3。
与上图相比,训练数据与(0,1)分布偏离的更远。在580epoch,accuracy=98%,可以看出接近(0,1)分布的数据更容易分类
PyTorch Week 2——transforms图像增强_第2张图片

三、二十二种图像预处理方法

数据增强:对训练集进行变换,让模型具有泛化能力

transform_invert可视化代码解读

def transform_invert(img_, transform_train):
    """
    将data 进行反transfrom操作
    :param img_: tensor
    :param transform_train: torchvision.transforms
    :return: PIL image
    """
    if 'Normalize' in str(transform_train):#反标准化
        norm_transform = list(filter(lambda x: isinstance(x, transforms.Normalize), transform_train.transforms))
        mean = torch.tensor(norm_transform[0].mean, dtype=img_.dtype, device=img_.device)
        std = torch.tensor(norm_transform[0].std, dtype=img_.dtype, device=img_.device)
        img_.mul_(std[:, None, None]).add_(mean[:, None, None])#乘以std加上mean

    img_ = img_.transpose(0, 2).transpose(0, 1)  # C*H*W --> H*W*C
    if 'ToTensor' in str(transform_train) or img_.max() < 1:#将tensor转化为numpy
        img_ = img_.detach().numpy() * 255

    if img_.shape[2] == 3:#RGB图像,将numpy转化为图像
        img_ = Image.fromarray(img_.astype('uint8')).convert('RGB')
    elif img_.shape[2] == 1:#灰度图像,将numpy转化为图像
        img_ = Image.fromarray(img_.astype('uint8').squeeze())
    else:
        raise Exception("Invalid img shape, expected 1 or 3 in axis 2, but got {}!".format(img_.shape[2]) )

    return img_#返回经过transform后的图片

Crop

1 transforms.CenterCrop

transforms.CenterCrop(112)
transforms.CenterCrop(512)#超出自动填充0

2 transforms.RandomCrop随机选择一个角进行剪切

transforms.RandomCrop(224, padding=16)#在左右方向填充16像素,上下方向填充16像素
transforms.RandomCrop(224, padding=(16, 64))#在左右方向填充16像素,上下方向填充64像素。
transforms.RandomCrop(224, padding=(16, 64832))#在左方向填充16像素,上方向填充64像素,右方向填充8像素,下方向填充32像素
transforms.RandomCrop(224, padding=16, fill=(255, 0, 0))#在左右方向填充16像素,上下方向填充16像素,填充颜色为红色
transforms.RandomCrop(512, pad_if_needed=True),   # pad_if_needed=True当size大于输入图片尺寸,要打开填充
transforms.RandomCrop(224, padding=64, padding_mode='edge')#边缘像素点填充
transforms.RandomCrop(224, padding=64, padding_mode='reflect')#镜像填充,最边缘像素不镜像
transforms.RandomCrop(1024, padding=1024, padding_mode='symmetric')#镜像填充,边缘像素镜像

3 transforms.RandomCrop随机大小、长宽比裁剪图片

transforms.RandomResizedCrop(size, #所需裁剪图片尺寸
							scale=(0.08, 1.0)#随机裁剪面积比例
							ratio=(3/4,4/3),#随机长宽比
							interpolation#插值方法
							)
transforms.RandomResizedCrop(size=224, scale=(0.5, 0.5))#长宽为224,

4 transforms.FiveCrop() 5 transforms.TenCrop()

transforms.FiveCrop(112)
transforms.TenCrop(112, vertical_flip=False)#在FiveCrop基础上反转

Flip翻转

6 RandomHorizontalFlip(),7 RandomVerticalFlip()

transforms.RandomHorizontalFlip(p=1)#概率
transforms.RandomVerticalFlip(p=0.5)

Rotation旋转

8 RandomRotation

transforms.RandomRotation(90),#旋转角度,为a时,在(-a,a), 若为(a,b), 在(a,b)之间随机选择角度旋转
transforms.RandomRotation((90), expand=True),#旋转可能会使图片不完整,打开expand,保留完整图片旋转,这会导致图片变大,使每一张图片的大小不一致,注意后面跟resize
transforms.RandomRotation(30, center=(0, 0)),
transforms.RandomRotation(30, center=(0, 0), expand=True),

图像变换

9 Pad

transforms.Pad(padding=32, fill=(255, 0, 0), padding_mode='constant'),
transforms.Pad(padding=(8, 64), fill=(255, 0, 0), padding_mode='constant'),
transforms.Pad(padding=(8, 16, 32, 64), fill=(255, 0, 0), padding_mode='constant'),
transforms.Pad(padding=(8, 16, 32, 64), fill=(255, 0, 0), padding_mode='symmetric'),

10 ColorJitter 调整亮度、对比度、饱和度和色相

transforms.ColorJitter(brightness=0.5),#亮度
transforms.ColorJitter(contrast=0.5),#对比度
transforms.ColorJitter(saturation=0.5),#饱和度
transforms.ColorJitter(hue=0.3),#色相

11 Grayscale、12 RandomGrayscale将图片转化为灰度图,可以设置输出通道数

transforms.Grayscale(num_output_channels),#num_output_channels只能是1或3
transforms.RandomGrayscale(num_output_channels,p=0.1)

13 RandomAffine仿射变换,旋转、平移、缩放、错切和翻转

transforms.RandomAffine(degrees=30),#中心旋转角度,随机(-30,30),degrees必须设置,不旋转设置为0
transforms.RandomAffine(degrees=0, translate=(0.2, 0.2), fillcolor=(255, 0, 0)),#(a=0.2,b=0.2),和RandomCrop有类似的效果
transforms.RandomAffine(degrees=0, scale=(0.7, 0.7)),#缩放比例,缩放至原图的70%,并填充整体保持大小不变
transforms.RandomAffine(degrees=0, shear=(0, 0, 0, 45)),#错切方向与角度
transforms.RandomAffine(degrees=0, shear=90, fillcolor=(255, 0, 0)),

15 RandomErasing 随机遮挡

对张量操作,

transforms.ToTensor(),#RandomErasing对张量操作
transforms.RandomErasing(p=1, scale=(0.02, 0.33), ratio=(0.3, 3.3), value=(254/255, 0, 0)),#不是0,255,是0,1.所以
transforms.RandomErasing(p=1, scale=(0.02, 0.33), ratio=(0.3, 3.3), value='1234'),

16 Lambda 用户自定义lambda方法

transforms.TenCrop(200, vertical_flip=True),
transforms.Lambda(lambda crops:torch.stack([transforms.Totensor()(crop) for crop in crops]))
#lambda函数,输入为crops
#[transforms.Totensor()(crop) for crop in crops],结果为列表:从crops中取出一个crop,作transforms.Totensor()操作,形成列表。
#torch.stack()对上式的列表进行操作

17 Resize 18 Totensor 19 Normalize

四、transforms的操作,如何选择

20 RandomChoice 随机选择一个操作执行

transforms.RandomChoice([transforms.RandomVerticalFlip(p=1),
						 transforms.RandomHorizontalFlip(p=1)]),

21 RandomApply 依照概率,执行所有操作

transforms.RandomApply([transforms.RandomAffine(degrees=0, shear=45, fillcolor=(255, 0, 0)),
						transforms.Grayscale(num_output_channels=3)], p=0.5),

22 RandomOrder 随机顺序执行所有操作

transforms.RandomOrder([transforms.RandomRotation(15),
                             transforms.Pad(padding=32),
                             transforms.RandomAffine(degrees=0, translate=(0.01, 0.1), scale=(0.9, 1.1))]),

五、自定义transforms

注意

  • 仅接受一个参数,返回一个参数
  • 上下游的输出和输入匹配
  • 通过类实现多参数传入
class YourTransforms(object):
	def __init__(self, ...):
		...
	def __call__(self, img):
		...
		return img

自定义transforms增加椒盐噪声

class AddPepperNoise(object):
   """增加椒盐噪声
   Args:
       snr (float): Signal Noise Rate信噪比
       p (float): 概率值,依概率执行该操作
   """

   def __init__(self, snr, p=0.9):#__init__定义传入的参数
       assert isinstance(snr, float) and (isinstance(p, float))    # 2020 07 26 or --> and
       self.snr = snr
       self.p = p

   def __call__(self, img):#我的任务需要对训练数据和标签同时变换,这里可以把img替换成词典{'grav': x, 'box': y}
       """
       Args:
           img (PIL Image): PIL Image
       Returns:
           PIL Image: PIL image.
       """
       if random.uniform(0, 1) < self.p:#设置一个概率
           img_ = np.array(img).copy()#传入的是img数据,转化为numpy
           h, w, c = img_.shape
           signal_pct = self.snr
           noise_pct = (1 - self.snr)
           mask = np.random.choice((0, 1, 2), size=(h, w, 1), p=[signal_pct, noise_pct/2., noise_pct/2.])
           mask = np.repeat(mask, c, axis=2)
           img_[mask == 1] = 255   # 盐噪声
           img_[mask == 2] = 0     # 椒噪声
           return Image.fromarray(img_.astype('uint8')).convert('RGB')#将numpy转化回img数据
       else:
           return img
    def __getitem__(self, index):
       path_img, label = self.data_info[index]
       img = Image.open(path_img).convert('RGB')     # 0~255

       if self.transform is not None:
           img = self.transform(img)   # 在这里做transform,转为tensor等等,我的任务需要同时对训练数据和标签操作,
           #在这里传入transform的img应该是一个词典{'grav': x, 'box': y}

       return img, label

六、 数据增强实战应用

原则:让训练集与测试集更接近

RMB分类实战

训练集为第四套 RMB ,识别第五套 RMB
PyTorch Week 2——transforms图像增强_第3张图片
第一次训练采用的数据增强方法如下:

train_transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize((32, 32)),
    transforms.RandomCrop(32, padding=4),#随机裁剪
    # transforms.RandomGrayscale(p=0.9),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize(norm_mean, norm_std),
])

除常规方法外,仅有随机裁剪
结果:第四套正确,第五套分类全错
PyTorch Week 2——transforms图像增强_第4张图片
考虑到第五套的100元与第四套的1元颜色相似,所以在第二次训练中添加RandomGrayscale,排除颜色的干扰

train_transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize((32, 32)),
    transforms.RandomCrop(32, padding=4),#随机裁剪
    transforms.RandomGrayscale(p=0.9),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize(norm_mean, norm_std),
])

预测结果:全部正确

七、作业

1

采用步进(Step into)的调试方法从 for i, data in enumerate(train_loader) 这一行代码开始,进入到每一个被调用函数,直到进入RMBDataset类中的__getitem__函数,记录从 for循环到RMBDataset的__getitem__所设计的类与函数?(使用的DCDataset)

例如:

第一步:for i, data in enumerate(train_loader)

第二步:DataLoader类,iter()函数,self._get_iterator()函数
第三步: _SingleProcessDataLoaderIter类, ***函数
第四步:class _DatasetKind类,def create_fetcher函数
第五步:_MapDatasetFetcher类,
第六步:DataLoader类,__next__函数,_next_data函数
第七步:BatchSampler类,__iter__函数,
第八步:class _MapDatasetFetcher类,fetch函数,
第九步:DCDataset类,__getitem__函数

2.

训练RMB二分类模型,熟悉数据读取机制,并且从kaggle中下载猫狗二分类训练数据,自己编写一个DogCatDataset,使得pytorch可以对猫狗二分类训练集进行读取。

1.

class DCDataset(Dataset):
    def __init__(self, data_dir, transform=None):
        """
        rmb面额分类任务的Dataset
        :param data_dir: str, 数据集所在路径
        :param transform: torch.transform,数据预处理
        """
        self.label_name = {"cat": 0, "dog": 1}
        self.data_info = self.get_img_info(data_dir)
        self.transform = transform

    def __getitem__(self, index):
        path_img, label = self.data_info[index]
        img = Image.open(path_img).convert('RGB')     # 0~255

        if self.transform is not None:
            img = self.transform(img)   # 在这里做transform,转为tensor等等
        return img, label

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

    @staticmethod
    def get_img_info(data_dir):
        data_info = list()
        for root, dirs, _ in os.walk(data_dir):
            # 遍历类别
            for sub_dir in dirs:
                img_names = os.listdir(os.path.join(root, sub_dir))
                img_names = list(filter(lambda x: x.endswith('.jpg'), img_names))

                # 遍历图片
                for i in range(len(img_names)):
                    img_name = img_names[i]
                    path_img = os.path.join(root, sub_dir, img_name)
                    label = DC_label[sub_dir]
                    data_info.append((path_img, int(label)))

        return data_info

总结

  • 初步了解了tansform进行数据增强的机制,并了解了Nomarlize方法的原理
  • 二十二中图像增强方法,包括1、Crop、Flip、Rotation;2、Pad、ColorJitter、Grayscale、Affine、Erasing自定义Lambda函数;3、Choice随机选一个、Apply按概率随机应用一组、Order随机顺序应用一组。
  • 自定义的transform,注意输入个数和格式,重写Dataset类和transform类,可以实现自己的任务
  • 数据增强实战方法,观察测试集与训练集的不同,并针对训练集进行数据增强

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