Opencv-Python数据增强

Opencv-Python数据增强

常见的数据增强操作有：按比例放大或缩小图片、旋转、平移、水平翻转、改变图像通道等。

1.按比例放大和缩小

​ 扩展缩放只是改变图像的尺寸大小。OpenCV 提供的函数 cv2.resize()可以实现这个功能。图像的尺寸可以自己手动设置，也可以指定缩放因子。可以选择使用不同的插值方法。在缩放时我们推荐使用 cv2.INTER_AREA，在扩展时我们推荐使用 v2.INTER_CUBIC（慢) 和 v2.INTER_LINEAR。默认情况下所有改变图像尺寸大小的操作使用的插值方法都是 cv2.INTER_LINEAR。

# 缩小 -- 宽和高都缩小为原来的scale倍
def zoom_down(img,scale):
    img = cv2.resize(img,None,fx= scale,fy= scale,interpolation=cv2.INTER_CUBIC)
    return img

# 放大 -- 宽和高都放大为原来的scale倍
def zoom_up(img,scale):
    img = cv2.resize(img,None,fx= scale,fy= scale,interpolation=cv2.INTER_CUBIC)
    return img

resize库中第二个参数是目标大小，例如如果我想把图片resize成300*300大小的，可以这么写：

img = cv2.resize(img,(300,300))

2.平移图像

​ 平移就是将对象换一个位置。如果你要沿（x，y）方向移动，移动的距离是（tx，ty），你可以以下面的方式构建移动矩阵：

​ 可以使用 Numpy 数组构建这个矩阵（数据类型是 np.float32），然后把它传给函数cv2.warpAffine()。

mat_translation = np.float32([[1, 0, 20], [0, 1, 30]])

​ 例如上面是的矩阵是将图像往水平方向上移动20个像素点，竖直方向上移动30个像素点。

实例：

# 平移 -- 水平平移或竖直方向平移
def translation(img,tx,ty):
    height = img.shape[0]
    width = img.shape[1]
    mat_translation = np.float32([[1, 0, tx], [0, 1, ty]]) # 变换矩阵：设置平移变换所需的计算矩阵：2行3列
    img = cv2.warpAffine(img, mat_translation, (width + tx, height + ty))  # 变换函数
    return img

​ 我这里封装的tx和ty分别为水平和竖直方向需要移动的像素点数。

3.旋转图像

​ OpenCV 提供了一个函数：cv2.getRotationMatrix2D

# 旋转
def rotation(img,angle,scale):
    rows = img.shape[0]
    cols = img.shape[1]
    # 这里的第一个参数为旋转中心，第二个为旋转角度，第三个为旋转后的缩放因子
    # 可以通过设置旋转中心，缩放因子，以及窗口大小来防止旋转后超出边界的问题
    M = cv2.getRotationMatrix2D((cols / 2, rows / 2), angle, scale) # 向左旋转angle度并缩放为原来的scale倍
    img = cv2.warpAffine(img, M, (cols, rows)) # 第三个参数是输出图像的尺寸中心
    return img

4.镜像变换

​ Opencv提供了cv2.flip()函数，可以第二个参数为1时为水平翻转，为0时垂直翻转。为了后面调用方便，我还是自己封装了一下。

# 镜像变换
def mirror(img,mode):
    img = cv2.flip(img, mode)  # mode = 1 水平翻转 mode = 0 垂直翻
    return img

5.添加椒盐噪声

​ 椒盐噪声为纯黑或纯白的像素点，随机生成。

# 添加椒盐噪声
def spiced_salt_noise(img,prob):
    output = np.zeros(img.shape,np.uint8)
    thres = 1 - prob
    for i in range(img.shape[0]):
        for j in range(img.shape[1]):
            rdn = random.random()
            if rdn < prob:
                output[i][j] = 0 # 椒盐噪声由纯黑和纯白的像素点随机组成
            elif rdn > thres:
                output[i][j] = 255
            else:
                output[i][j] = img[i][j]
    return output

6.添加高斯噪声

​ 与椒盐噪声不同，高斯噪声是彩色的，方差越大时噪声越大。

# 添加高斯噪声
def gasuss_noise(image, mean = 0, var = 0.01):
    '''
        添加高斯噪声
        mean : 均值
        var : 方差，方差越大越模糊
    '''
    image = np.array(image/255, dtype=float)
    noise = np.random.normal(mean, var ** 0.5, image.shape)
    out = image + noise
    if out.min() < 0:
        low_clip = -1.
    else:
        low_clip = 0.
    out = np.clip(out, low_clip, 1.0)
    out = np.uint8(out*255)
    return out

7.模糊化

​ 将图片模糊或平滑有多种算法，例如高斯模糊、中值模糊、均值模糊等，我这里使用一个比较普通的cv2.blur()实现。同样也是先封装方便我后面调用。

# 模糊
def blur(img,scale):
    img = cv2.blur(img,(scale,scale)) # scale越大越模糊
    return img

​ 这里的scale其实就是滤波器的尺寸，一般取奇数，scale越大越模糊，

8.重新组合颜色通道

​ 在opencv中，图像的通道顺序为BGR，也就是蓝绿红，可以改变成其他顺序以得到不同的效果。

# 重新组合颜色通道
def change_channel(img):
    b = cv2.split(img)[0]
    g = cv2.split(img)[1]
    r = cv2.split(img)[2]
    brg = cv2.merge([b, r, g]) # 可以自己改变组合顺序
    return brg

实例

​ 我有以下几张测试图片：

​ 我希望随机地对这些图片进行一些变换，最终执行结果如下：

​ 可以看到程序对我的图片随机进行了各种变换，我这里只是一次变换，读者也可以尝试对图片同时进行多种变换。

​ 本次程序如下：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2022/2/18 16:30
# @Author : 若谷
# @File : Data_Augumentation.py
# @Software: PyCharm
import numpy as np
import cv2
import random
import os
import sys


# 缩小 -- 宽和高都缩小为原来的scale倍
def zoom_down(img, scale):
    img = cv2.resize(img, None, fx=scale, fy=scale, interpolation=cv2.INTER_CUBIC)
    return img


# 放大 -- 宽和高都放大为原来的scale倍
def zoom_up(img, scale):
    img = cv2.resize(img, None, fx=scale, fy=scale, interpolation=cv2.INTER_CUBIC)
    return img


# 平移 -- 水平平移或竖直方向平移
def translation(img, tx, ty):
    height = img.shape[0]
    width = img.shape[1]
    mat_translation = np.float32([[1, 0, tx], [0, 1, ty]])  # 变换矩阵：设置平移变换所需的计算矩阵：2行3列
    img = cv2.warpAffine(img, mat_translation, (width + tx, height + ty))  # 变换函数
    return img


# 旋转
def rotation(img, angle, scale):
    rows = img.shape[0]
    cols = img.shape[1]
    # 这里的第一个参数为旋转中心，第二个为旋转角度，第三个为旋转后的缩放因子
    # 可以通过设置旋转中心，缩放因子，以及窗口大小来防止旋转后超出边界的问题
    M = cv2.getRotationMatrix2D((cols / 2, rows / 2), angle, scale)  # 向左旋转angle度并缩放为原来的scale倍
    img = cv2.warpAffine(img, M, (cols, rows))  # 第三个参数是输出图像的尺寸中心
    return img


# 镜像变换
def mirror(img, mode):
    img = cv2.flip(img, mode)  # mode = 1 水平翻转 mode = 0 垂直翻
    return img


# 添加椒盐噪声
def spiced_salt_noise(img, prob):
    output = np.zeros(img.shape, np.uint8)
    thres = 1 - prob
    for i in range(img.shape[0]):
        for j in range(img.shape[1]):
            rdn = random.random()
            if rdn < prob:
                output[i][j] = 0  # 椒盐噪声由纯黑和纯白的像素点随机组成
            elif rdn > thres:
                output[i][j] = 255
            else:
                output[i][j] = img[i][j]
    return output


# 模糊
def blur(img, scale):
    img = cv2.blur(img, (scale, scale))  # scale越大越模糊
    return img


# 添加高斯噪声
def gasuss_noise(image, mean=0, var=0.01):
    '''
        添加高斯噪声
        mean : 均值
        var : 方差，方差越大越模糊
    '''
    image = np.array(image / 255, dtype=float)
    noise = np.random.normal(mean, var ** 0.5, image.shape)
    out = image + noise
    if out.min() < 0:
        low_clip = -1.
    else:
        low_clip = 0.
    out = np.clip(out, low_clip, 1.0)
    out = np.uint8(out * 255)
    return out


# 重新组合颜色通道
def change_channel(img):
    b = cv2.split(img)[0]
    g = cv2.split(img)[1]
    r = cv2.split(img)[2]
    brg = cv2.merge([b, r, g])  # 可以自己改变组合顺序
    return brg


# 随机进行以上操作
def Data_Augument():
    for i in images_list:
        img = cv2.imread(image_dir+i) # 图片路径+图片名字
        cv2.imshow('img',img)
        functions = [('zoom_down', [img, 0.8]), # 第一个参数为函数名,后面为函数调用时的参数
                     ('zoom_up', [img, 1.2]),
                     ('translation', [img, 20, 30]),
                     ('rotation', [img, 15, 0.9]),
                     ('mirror', [img, 1]),
                     ('spiced_salt_noise', [img, 0.01]),
                     ('blur', [img, 5]),
                     ('gasuss_noise', [img, 0, 0.01]),
                     ('change_channel', [img])]
        choice = random.choice(functions) # 随机选择一个函数执行
        this_module = sys.modules[__name__]  # 当前文件

        res = getattr(this_module, choice[0])(*choice[1])
        cv2.imwrite(output_dir + i, res)


if __name__ == '__main__':
    image_dir = './test/' # 源图片路径
    images_list = os.listdir(image_dir)
    nums = len(os.listdir(image_dir))
    print('found %d pictures' % nums)
    output_dir = './output/' # 图像变换后的保存路径
    Data_Augument() # 执行
    print('finished!')

总结

​ 还有其他很多的数据增强操作，例如随机裁剪图像、添加颜色扰动等等。另外也有其他库可以进行这些操作，例如Keras中的图片预处理process库。我这种是离线式的，希望能将变换后的图片保存下来。

参考文献

1.Opencv中文官方文档：http://woshicver.com/

2.https://www.cnblogs.com/lfri/p/10627595.html