pytorch深度学习和入门实战（三）transforms数据增强和ImageFolder数据集构造详解

torch.utils.data相关部分已经在上一个博客内容讲解过，如何使用Dataset和DataLoader，请参见pytorch深度学习和入门实战（二）Dataset和DataLoader使用详解

1.数据处理工具箱概述

数据下载和预处理是机器学习、深度学习实际项目中耗时又重要的任务，
尤其是数据预处理，关系到数据质量和模型性能，往往要占据项目的大部分时间。

PyTorch涉及数据处理（数据装载、数据预处理、数据增强等）主要工具包及相互关系如图:

主要包括两大部分：
（1）torch.utils.data相关部分
torch.utils.data工具包，它包括以下4个类函数。
1）Dataset：是一个抽象类，其他数据集需要继承这个类，并且覆写其
中的两个方法（ getitem_()、len ()）。
2）DataLoader：定义一个新的迭代器，实现批量（batch）读取，打乱
数据（shuffle）并提供并行加速等功能。
3）random_split：把数据集随机拆分为给定长度的非重叠的新数据集。
4）*sampler：多种采样函数

（2）torchvision工具包相关部分
它包括4个类，各类的主要功能如下。
1）datasets：提供常用的数据集加载，设计上都是继承自
torch.utils.data.Dataset，主要包括MMIST、CIFAR10/100、ImageNet和COCO
等。
2）models：提供深度学习中各种经典的网络结构以及训练好的模型
（如果选择pretrained=True），包括AlexNet、VGG系列、ResNet系列、
Inception系列等。
3）transforms：常用的数据预处理操作，主要包括对Tensor及PIL Image
对象的操作。
4）utils：含两个函数，一个是make_grid，它能将多张图片拼接在一个
网格中；另一个是save_img，它能将Tensor保存成图片。

本节主要介绍如何使用datasets的ImageFolder处理自定义数据集，以及如何使用transforms对源数据进行预处理、增强等。下面将重点介绍transforms及ImageFolder

2. transforms的所有数据增强的api

Transforms是指常见的图像变换功能。它们可以用Compose组合在一起。

# transforms (list of Transform objects) – list of transforms to compose.
# for example
transforms.Compose([
	#将给定的 PIL.Image 进行中心切割，得到给定的 size，
	#size 可以是 tuple，(target_height, target_width)。
	#size 也可以是一个 Integer，在这种情况下，切出来的图片形状是正方形。
	transforms.CenterCrop(10),
	#切割中心点的位置随机选取
	transforms.RandomCrop(20, padding=0),
	#把一个取值范围是 [0, 255] 的 PIL.Image 或者 shape 为 (H, W, C) 的 numpy.ndarray，
	#转换为形状为 (C, H, W)，取值范围是 [0, 1] 的 torch.FloatTensor
	transforms.ToTensor(),
	#规范化到[-1,1]
	transforms.Normalize(mean = (0.5, 0.5, 0.5), std = (0.5, 0.5, 0.5))
])

此外，还有torchvision.transforms.functional模块。函数转换（Functional transforms）提供对转换的细粒度控制。在构建一些比较复杂的转换流程（例如，在分割任务的情况下），这可能很有用。

# for example
import torchvision.transforms.functional as TF
import random

def my_segmentation_transforms(image, segmentation):
    if random.random() > 0.5:
        angle = random.randint(-30, 30)
        image = TF.rotate(image, angle)
        segmentation = TF.rotate(segmentation, angle)
    # more transforms ...
    return image, segmentation

ref to official api : https://pytorch.org/docs/stable/
主要有一下几类：
1）针对PIL image的处理-----> 主要包括一些图像的裁剪、翻转、亮度变化等增强
2）针对 torch.*Tensor的处理-----> tensor数据标准化和线性化等
3）转化处理（Conversion Transforms）-----> 主要是图像类型的变换，imgs->tensor, tensor->imgs
4）自定义转化处理（Generic Transforms）-----> 自定义转换函数
5）转化函数 -----> 更加细粒度的图像处理函数

2.1 针对PIL image的处理

2.1.1裁剪

中心裁剪：transforms.CenterCrop

class torchvision.transforms.CenterCrop(size)

功能：
	依据给定的 size 从中心裁剪
参数：
	size- (sequence or int)，若为 sequence,则为(h,w)，若为 int，则(size,size)

随机裁剪：transforms.RandomCrop
class
torchvision.transforms.RandomCrop(size, padding=None, pad_if_needed=False, fill=0, padding_mode='constant')

功能：
	依据给定的 size 随机裁剪
参数：
	size- (sequence or int)，若为 sequence,则为(h,w)，若为 int，则(size,size)
	padding-(sequence or int, optional)，此参数是设置填充多少个 pixel。当为 int 时，图像上下左右均填充 int 个，例如 padding=4，则上下左右均填充 4 个 pixel，若为 32*32，则会变成 40*40。当为 sequence 时，若有 2 个数，则第一个数表示左右扩充多少，第二个数表示上下的。当有 4 个数时，则为左，上，右，下。
	fill- (int or tuple) 填充的值是什么（仅当填充模式为 constant 时有用）。int 时，各通道均填充该值，当长度为 3 的 tuple 时，表示 RGB 通道需要填充的值。
	padding_mode- 填充模式，这里提供了 4 种填充模式:
	1.constant，常量。2.edge 按照图片边缘的像素值来填充。3.reflect，像镜像一样对称填充（不重复边缘上的最后一个值）。 4. symmetric，像镜像一样对称填充（重复边缘上的最后一个值）

随机长宽比裁剪：transforms.RandomResizedCrop
class torchvision.transforms.RandomResizedCrop(size, scale=(0.08, 1.0), ratio=(0.75, 1.33333 33333333333), interpolation=2)

功能：
	随机大小，随机长宽比裁剪原始图片，最后将图片 resize 到设定好的 size
参数：
	size- 输出的分辨率
	scale- 随机 crop 的大小区间，如 scale=(0.08, 1.0)，表示随机 crop 出来的图片会在的 0.08倍至 1 倍之间。
	ratio- 随机长宽比设置
	interpolation- 插值的方法，默认为双线性插值(PIL.Image.BILINEAR)

上下左右中心裁剪：transforms.FiveCrop
class torchvision.transforms.FiveCrop(size)

功能：对图片进行上下左右以及中心裁剪，获得 5 张图片，返回一个 4D-tensor
参数：
	size- (sequence or int)，若为 sequence,则为(h,w)，若为 int，则(size,size)

上下左右中心裁剪后翻转，transforms.TenCrop
class torchvision.transforms.TenCrop(size, vertical_flip=False)

功能：
	对图片进行上下左右以及中心裁剪，然后全部翻转（水平或者垂直），获得 10 张图片，返回一个 4D-tensor。
参数：
	size- (sequence or int)，若为 sequence,则为(h,w)，若为 int，则(size,size)
	vertical_flip (bool) - 是否垂直翻转，默认为 flase，即默认为水平翻转

2.1.2 翻转和旋转

依概率 p 水平翻转：transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5)
class torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5)

功能：依据概率 p 对 PIL 图片进行水平翻转
参数：
	p- 概率，默认值为 0.5

依概率 p 垂直翻转：transforms.RandomVerticalFlip(p=0.5)
class torchvision.transforms.RandomVerticalFlip(p=0.5)

功能：依据概率 p 对 PIL 图片进行垂直翻转
参数：
	p- 概率，默认值为 0.5

随机旋转：transforms.RandomRotation
class torchvision.transforms.RandomRotation(degrees, resample=False, expand=False, center=None, fill=None)

功能：依 degrees 随机旋转一定角度
参数：
	degress- (sequence or float or int) ，若为单个数，如 30，则表示在（-30，+30）之间随机旋转若为 sequence，如(30，60)，则表示在 30-60 度之间随机旋转
	resample- 重采样方法选择，可选PIL.Image.NEAREST, PIL.Image.BILINEAR, PIL.Image.BICUBIC，默认为最近邻
	expand- –可选扩展标志。如果为true，则展开输出以使其足够大以容纳整个旋转图像。如果为false或省略，则使输出图像与输入图像的大小相同。请注意，expand标志假定围绕中心旋转而不平移。
	center- 可选为中心旋转还是左上角旋转
	fill（n元组或int或float）–旋转图像外部区域的像素填充值。如果是int或float，则该值分别用于所有带区。所有标注栏的默认值为0。此选项仅适用于pillow>=5.2.0。

2.1.3 图像变换

填充：transforms.Pad
class torchvision.transforms.Pad(padding, fill=0, padding_mode='constant')

功能：对图像进行填充
参数：
	padding-(sequence or int, optional)，此参数是设置填充多少个 pixel。当为 int 时，图像上下左右均填充 int 个，例如 padding=4，则上下左右均填充 4 个 pixel，若为 32*32，则会变成 40*40。当为 sequence 时，若有 2 个数，则第一个数表示左右扩充多少，第二个数表示上下的。当有 4 个数时，则为左，上，右，下。
fill- (int or tuple) 填充的值是什么（仅当填充模式为 constant 时有用）。int 时，各通道均填充该值，当长度为 3 的 tuple 时，表示 RGB 通道需要填充的值。
padding_mode- 填充模式，这里提供了 4 种填充模式:
1.constant，常量。2.edge 按照图片边缘的像素值来填充。3.reflect，像镜像一样对称填充（不重复边缘上的最后一个值）。 4. symmetric，像镜像一样对称填充（重复边缘上的最后一个值）

修改亮度、对比度和饱和度：transforms.ColorJitter
class torchvision.transforms.ColorJitter(brightness=0, contrast=0, saturation=0, hue=0)

功能：修改修改亮度、对比度和饱和度

转灰度图：transforms.Grayscale
class torchvision.transforms.Grayscale(num_output_channels=1)

功能：将图片转换为灰度图
参数：
	num_output_channels- (int) ，当为 1 时，正常的灰度图，当为 3 时， 3 channel with r == g == b

仿射变换：transforms.RandomAffine
class torchvision.transforms.RandomAffine(degrees, translate=None, scale=None, shear=None, resample=False, fillcolor=0)

功能：仿射变换

依概率 p 转为灰度图：transforms.RandomGrayscale
class torchvision.transforms.RandomGrayscale(p=0.1)

功能：依概率 p 将图片转换为灰度图，若通道数为 3，则 3 channel with r == g == b

resize：transforms.Resize
class torchvision.transforms.Resize(size, interpolation=2)

功能：重置图像分辨率
参数：
	size- If size is an int, if height > width, then image will be rescaled to (size * height / width, size)，所以建议 size 设定为 h*w
	interpolation- 插值方法选择，默认为 PIL.Image.BILINEAR

2.1.4 对 transforms 操作，使数据增强更灵活

transforms.RandomChoice(transforms)， 从给定的一系列 transforms 中选一个进行操作

transforms.RandomApply(transforms, p=0.5)，给一个 transform 加上概率，依概率进行操作

	功能：给一个 transform 加上概率，以一定的概率执行该操作

transforms.RandomOrder，将 transforms 中的操作随机打乱

功能：将 transforms 中的操作顺序随机打乱

2.2 针对 torch.*Tensor的处理

2.2.1 标准化：transforms.Normalize

class torchvision.transforms.Normalize(mean, std)

功能：对数据按通道进行标准化，即先减均值，再除以标准差，注意是 h*w*c

2.2.2 线性变换：transforms.LinearTransformation()

class torchvision.transforms.LinearTransformation(transformation_matrix)

功能：对矩阵做线性变化，可用于白化处理！
	 whitening: zero-center the data, compute the data covariance matrix
参数：
	transformation_matrix (Tensor) – tensor [D x D], D = C x H x W

2.2.3随机选择图像中的矩形区域并删除其像素：transforms.RandomErasing

class torchvision.transforms.RandomErasing(p=0.5, scale=(0.02, 0.33), ratio=(0.3, 3.3), value=0, inplace=False)

功能：随机选择图像中的矩形区域并删除其像素。参见 https://arxiv.org/pdf/1708.04896.pdf
参数
	p–执行随机擦除操作的概率。
	scale–擦除区域相对于输入图像的比例范围。
	ratio–擦除区域的纵横比范围。值–删除值。默认值为0。如果是一个整型，它将被用来清除所有像素。如果图像的channel为3，则分别用于擦除R、G、B通道。如果str为“random”，则用随机值擦除每个像素。
	inplace–布尔值以使此变换就位。默认设置为False。

2.3 数据形式转化处理

2.3.1 转为 tensor，并归一化至[0-1]：transforms.ToTensor

class torchvision.transforms.ToTensor

功能：将 PIL Image 或者 ndarray 转换为 tensor，并且归一化至[0-1]
注意事项：归一化至[0-1]是直接除以 255，若自己的 ndarray 数据尺度有变化，则需要自行修改

2.3.2 将数据转换为 PILImage：transforms.ToPILImage

class torchvision.transforms.ToPILImage(mode=None)

功能：将 tensor 或者 ndarray 的数据转换为 PIL Image 类型数据
参数：
	mode- 为 None 时，为 1 通道， mode=3 通道默认转换为 RGB，4 通道默认转换为 RGBA

2,4 自定义函数转化处理

用户自定义转换函数lambd：torchvision.transforms.Lambda(lambd)

class torchvision.transforms.Lambda(lambd)

功能： 使用用户自定义的lambd函数作为转换函数
参数：
    lambd (function) – Lambda/function to be used for transform.

2.5 更加细粒度的转化函数

---------------------------------------修改色彩和饱和度等------------------------------------------------------
transforms.functional.adjust_brightness(img: torch.Tensor, brightness_factor: float) → torch.Tensor
transforms.functional.adjust_contrast(img: torch.Tensor, contrast_factor: float) → torch.Tensor
transforms.functional.adjust_gamma(img, gamma, gain=1)
transforms.functional.adjust_hue(img: torch.Tensor, hue_factor: float) → torch.Tensor
transforms.functional.adjust_saturation(img: torch.Tensor, saturation_factor: float) → torch.Tensor

---------------------------------------仿射和变换等------------------------------------------------------
transforms.functional.affine(img, angle, translate, scale, shear, resample=0, fillcolor=None)
transforms.functional.perspective(img, startpoints, endpoints, interpolation=3, fill=None)
transforms.functional.erase(img, i, j, h, w, v, inplace=False)
transforms.functional.resize(img, size, interpolation=2)
transforms.functional.pad(img, padding, fill=0, padding_mode=‘constant’)

---------------------------------------裁剪等------------------------------------------------------
transforms.functional.center_crop(img, output_size)
transforms.functional.convert_image_dtype(image: torch.Tensor, dtype: torch.dtype = torch.float32) → torch.Tensor
transforms.functional.crop(img, top, left, height, width)
transforms.functional.five_crop(img, size)
transforms.functional.ten_crop(img, size, vertical_flip=False)
transforms.functional.resized_crop(img, top, left, height, width, size, interpolation=2)

---------------------------------------翻转和旋转------------------------------------------------------
transforms.functional.hflip(img: torch.Tensor) → torch.Tensor
transforms.functional.vflip(img: torch.Tensor) → torch.Tensor
transforms.functional.rotate(img, angle, resample=False, expand=False, center=None, fill=None)

---------------------------------------图像数据类型变化等------------------------------------------------------
transforms.functional.to_grayscale(img, num_output_channels=1)
transforms.functional.to_pil_image(pic, mode=None)
transforms.functional.to_tensor(pic)
transforms.functional.pil_to_tensor(pic)
transforms.functional.normalize(tensor, mean, std, inplace=False)

2.6 举例说明

# 数据预处理设置
normMean = [0.4948052, 0.48568845, 0.44682974]
normStd = [0.24580306, 0.24236229, 0.2603115]
normTransform = transforms.Normalize(normMean, normStd)
trainTransform = transforms.Compose([
    transforms.Resize(32),
    transforms.RandomCrop(32, padding=4),
    transforms.ToTensor(),
    normTransform
])

validTransform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),
    normTransform
])

前三行设置均值，标准差，以及数据标准化：transforms.Normalize()函数，这里是以通
道为单位进行计算均值，标准差。然后用 transforms.Compose 将所需要进行的处理给 compose 起来，并且按照顺序执行！

在训练时，依次对图片进行以下操作：
1. 随机裁剪
2. Totensor
3. 数据标准化(减均值，除以标准差)

1. 随机裁剪

第一个处理是随机裁剪，在裁剪之前先对图片的上下左右均填充上 4 个 pixel，值为0，即变成一个 4040 的数据，然后再随机进行 3232 的裁剪。例如下图，是经过 transforms.RandomCrop(32, padding=4),之后的图片，其中红色框是原始图片数据，31 列是填充的 0，28-31 行也是填充的 0

2. Totensor

第二个处理是 transforms.ToTensor()在这里会对数据进行 transpose，原来是 hwc，会经过 img = img.transpose(0, 1).transpose(0, 2).contiguous()，变成 chw 再除以 255，使得像素值归一化至[0-1]之间，来看看 Red 通道.
来看看 27 行，30 列 原来是 8 的， 经过 ToTensor 之后变成：8/255= 0.03137255

3. 数据标准化(减均值，除以标准差)

第三个处理是对图像进行标准化，通过标准化之后，至此，数据预处理完毕，最后转换成 Variable 类型，就是输入网络模型的数据了。 再来看看 Red 通道的数据：

3. ImageFolder

当文件依据标签处于不同文件下时，如：
─── data
├── zhangliu
│ ├── 001.jpg
│ └── 002.jpg
├── wuhua
│ ├── 001.jpg
│ └── 002.jpg
…

我们可以利用torchvision.datasets.ImageFolder来直接构造出dataset，代码如下：

data = datasets.ImageFolder(path)
loader = data.DataLoader(data)

3.1 函数参数

class torchvision.datasets.ImageFolder(root, transform=None, target_transform=None, loader=, is_valid_file=None)

功能：一种通用数据加载器，其中图像以这种方式排列：
	root/dog/xxx.png
	root/dog/xxy.png
	root/dog/xxz.png

	root/cat/123.png
	root/cat/nsdf3.png
	root/cat/asd932_.png

参数：
    root (string) – 文件根目录
    transform (callable, optional) –一种接受PIL图像并返回转换后的版本的函数/转换。. E.g, transforms.RandomCrop
    target_transform (callable, optional) – 作用于目标对象的function/transform 
    loader (callable, optional) – 加载已知路径图片的函数
    is_valid_file – 检查文件路径是否争取
重要特性：
    classes (list): 分类名称
    class_to_idx (dict): 分类名称（文件夹名称）映射到数字（自动编码的类别序号，输出的label就是这个）上的对应dict， 形式为 (class_name, class_index).
    imgs (list):  (image path, class_index) tuples显示，即显示（文件位置，类别序号）

3.2 构造dataset迭代器

ImageFolder会将目录中的文件夹名自动转化成序列，当DataLoader载入时，标签自动就是整数序列了。
下面我们利用ImageFolder读取不同目录下的图片数据，然后使用transforms进行图像预处理，预处理有多个，我们用compose把这些操作拼接在一起。然后使用DataLoader加载。

注：
1. 本次使用的数据是cifa-10 保存成png图片的合集，共有10个文件夹，分别标注为0-10，用以存放不同类别的照片。
2. .totensor 过程 图片数据会有axis变化， 格式由 hwc ----> chw, 后续如果通过plt显示的时候，.transpose((1, 2, 0))进行转置
3. 构造的dataloader的图片img 数据格式 {batch, channel, height , weight}, 和make_grid对输入数据的要求一样。
4. 可以通过ImageFolder.classes()/.class_to_idx()/.imgs(), 显示相关分类名称， 分类序列号和分类名称dict， 图片路径和分类序号dict

对处理后的数据用torchvision.utils中的save_image保存为一个png格式文件，然后用Image.open打开该png文件，详细代码如下：

from torchvision import transforms, utils
from torchvision.datasets import ImageFolder
import matplotlib.pyplot as plt
from torch.utils.data import DataLoader

"""
	数据预处理
"""
my_trans = transforms.Compose([
	transforms.RandomResizedCrop(224),
	transforms.RandomHorizontalFlip(),
	transforms.ToTensor()
])

"""
	生成batch_size迭代器，用于加载数据
"""
train_data = ImageFolder(r'D:\Study\pytorch\PyTorch_Tutorial-master\Data\test', transform=my_trans)
train_loader = DataLoader(train_data, batch_size=8, shuffle=True, )

"""
	读取第一个batch的数据，并且通过plt显示和save_image保存
"""
for i_batch, img in enumerate(train_loader):
	if i_batch == 0:
		#  img[0] ->图像， img[1] -> label
		print(img[1])
		fig = plt.figure()
		#  img 格式 {batch,  channel,  height ,  weight}, 和make_grid要求一样；
		# make_grid 批量显示多幅画面   ->  输出 {channel,  height ,  weight}
		grid = utils.make_grid(img[0], padding=0)
		#  tensor -> numpy； chw -> hwc,  plt才能显示
		plt.imshow(grid.numpy().transpose((1, 2, 0)))
		plt.show()
		utils.save_image(grid, 'test01.png')
	break

输出：

	tensor([8, 3, 1, 9, 8, 6, 3, 4])

显示：

References

https://pytorch.org/docs/stable/
https://github.com/TingsongYu/PyTorch_Tutorial