图像增广：强化深度学习的视觉表现力

目录

摘要：

1. 图像增广简介

2. 图像增广的原理

3. 常见的图像增广技术

4. 如何在实际项目中应用图像增广

5.实际应用

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摘要：

当今，深度学习已经在计算机视觉领域取得了令人瞩目的成就。图像增广作为一种数据处理技术，让我们在使用有限的图像数据集时能够充分挖掘图像特征，提高模型的泛化能力。本文将详细介绍图像增广的概念、原理以及如何在实际项目中应用。

1. 图像增广简介

图像增广（Image Augmentation）是一种通过对原始图像进行各种变换来生成新的图像的方法。这些变换包括旋转、翻转、缩放、剪切、色彩变换等。通过图像增广，我们可以扩大数据集的规模，增加模型训练时的输入样本。这有助于提高模型的泛化能力，从而在面对新的、未知的数据时，也能达到较高的准确性。

2. 图像增广的原理

深度学习模型在训练过程中需要大量的数据来学习特征表达。然而，在实际应用中，我们并不总是能获得足够多的数据。图像增广通过对原始图像进行各种变换，创造出具有不同视觉特征的新图像。这样一来，模型在训练时可以接触到更多样的数据，从而学习到更丰富的特征表达，提高泛化能力。

值得注意的是，图像增广并不能完全解决数据不足的问题，但它可以在一定程度上缓解这个问题，提高模型的性能。

3. 常见的图像增广技术

以下是一些常见的图像增广技术：

- **旋转**：将图像按一定的角度进行旋转。
- **翻转**：对图像进行水平或垂直翻转。
- **缩放**：对图像进行放大或缩小。
- **剪切**：在图像上随机选择一块区域，将其裁剪为新的图像。
- **色彩变换**：改变图像的亮度、对比度、饱和度等色彩属性。
- **噪声添加**：在图像中添加随机噪声。
- **仿射变换**：对图像进行平移、旋转、缩放等操作。

4. 如何在实际项目中应用图像增广

许多深度学习框架都提供了图像增广的相关工具，例如 TensorFlow、PyTorch、Keras 等。在使用这些框架时，我们可以轻松地将图像增广技术应用到我们的项目中。以下是一个使用 Keras 进行图像增广的简单示例：

from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator

# 创建一个图像数据生成器
datagen = ImageDataGenerator(
    rotation_range=20,
    width_shift_range=0.2,
    height_shift_range=0.2,
    shear_range=0.2,
    zoom_range=0.2,
    horizontal_flip=True)

# 将数据生成器应用到训练集
train_generator = datagen.flow_from_directory(
    train_data_dir,
    target_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size,
    class_mode='categorical')

在上述代码中，我们定义了一个图像数据生成器，并设置了一些增广参数。然后，我们使用这个数据生成器对训练集进行处理。

5.实际应用

%matplotlib inline
import torch
import torchvision
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

导入图片： 图片大小为400*500

d2l.set_figsize()
img = d2l.Image.open('./img/1.jpg') #务必将图片放到该根目录
d2l.plt.imshow(img)

 大多数图像增广方法都具有一定的随机性。为了便于观察图像增广的效果，我们下面定义辅助函数apply。 此函数在输入图像img上多次运行图像增广方法aug并显示所有结果。

def apply(img, aug, num_rows=2, num_cols=4, scale=1.5):#aug增广
    Y = [aug(img) for _ in range(num_rows * num_cols)]
    d2l.show_images(Y, num_rows, num_cols, scale=scale)

 左右翻转图像通常不会改变对象的类别。这是最早且最广泛使用的图像增广方法之一。 使用transforms模块来创建RandomFlipLeftRight实例，这样就各有50%的几率使图像向左或向右翻转。

 上下翻转并不常用：

apply(img, torchvision.transforms.RandomVerticalFlip())

 随机剪切函数：剪切大小200*200像素，在10%-100%的范围内剪切，长宽比为1：2

shape_aug = torchvision.transforms.RandomResizedCrop((200,200),scale=(0.1,1),ratio=(0.5,2))
apply(img,shape_aug)

随机改变亮度

apply(img,torchvision.transforms.ColorJitter(brightness=0.5,contrast=0,saturation=0,hue=0))

 

 改变色调：

apply(img, torchvision.transforms.ColorJitter(
    brightness=0, contrast=0, saturation=0, hue=0.5))

 创建一个RandomColorJitter实例，并设置如何同时随机更改图像的亮度（brightness）、对比度（contrast）、饱和度（saturation）和色调（hue）。

color_aug = torchvision.transforms.ColorJitter(
    brightness=0.5, contrast=0.5, saturation=0.5, hue=0.5)
apply(img, color_aug)

 最常用的就是将各种增广方法结合起来：

augs = torchvision.transforms.Compose([
    torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip(), color_aug, shape_aug])
apply(img, augs)

 下载一个常用数据集：

#下载数据集
all_images = torchvision.datasets.CIFAR10(train=True, root="./data",
                                          download=True)
d2l.show_images([all_images[i][0] for i in range(32)], 4, 8, scale=0.8);

 通常对训练样本只进行图像增广，且在预测过程中不使用随机操作的图像增广。使用ToTensor实例将一批图像转换为深度学习框架所要求的格式，即形状为（批量大小，通道数，高度，宽度）的32位浮点数，取值范围为0～1。

train_augs = torchvision.transforms.Compose([
     torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip(),
     torchvision.transforms.ToTensor()]) #变成一个4d矩阵

test_augs = torchvision.transforms.Compose([
     torchvision.transforms.ToTensor()])

def load_cifar10(is_train, augs, batch_size):
    dataset = torchvision.datasets.CIFAR10(root="./data", train=is_train,
                                           transform=augs, download=True)
    dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset, batch_size=batch_size,
                    shuffle=is_train, num_workers=d2l.get_dataloader_workers())
    return dataloader

 使用gpu进行训练数据：

#@save
#使用多GPU对模型进行训练和评估
def train_batch_ch13(net, X, y, loss, trainer, devices):
    """用多GPU进行小批量训练"""
    if isinstance(X, list):
        # 微调BERT中所需
        X = [x.to(devices[0]) for x in X]
    else:
        X = X.to(devices[0])
    y = y.to(devices[0])
    net.train()
    trainer.zero_grad()
    pred = net(X)
    l = loss(pred, y)
    l.sum().backward()
    trainer.step()
    train_loss_sum = l.sum()
    train_acc_sum = d2l.accuracy(pred, y)
    return train_loss_sum, train_acc_sum

#@save
def train_ch13(net, train_iter, test_iter, loss, trainer, num_epochs,
               devices=d2l.try_all_gpus()):
    """用多GPU进行模型训练"""
    timer, num_batches = d2l.Timer(), len(train_iter)
    animator = d2l.Animator(xlabel='epoch', xlim=[1, num_epochs], ylim=[0, 1],
                            legend=['train loss', 'train acc', 'test acc'])
    net = nn.DataParallel(net, device_ids=devices).to(devices[0])
    for epoch in range(num_epochs):
        # 4个维度：储存训练损失，训练准确度，实例数，特点数
        metric = d2l.Accumulator(4)
        for i, (features, labels) in enumerate(train_iter):
            timer.start()
            l, acc = train_batch_ch13(
                net, features, labels, loss, trainer, devices)
            metric.add(l, acc, labels.shape[0], labels.numel())
            timer.stop()
            if (i + 1) % (num_batches // 5) == 0 or i == num_batches - 1:
                animator.add(epoch + (i + 1) / num_batches,
                             (metric[0] / metric[2], metric[1] / metric[3],
                              None))
        test_acc = d2l.evaluate_accuracy_gpu(net, test_iter)
        animator.add(epoch + 1, (None, None, test_acc))
    print(f'loss {metric[0] / metric[2]:.3f}, train acc '
          f'{metric[1] / metric[3]:.3f}, test acc {test_acc:.3f}')
    print(f'{metric[2] * num_epochs / timer.sum():.1f} examples/sec on '
          f'{str(devices)}')

 可以定义train_with_data_aug函数，使用图像增广来训练模型。该函数获取所有的GPU，并使用Adam作为训练的优化算法，将图像增广应用于训练集，最后调用刚刚定义的用于训练和评估模型的train_ch13函数。

batch_size, devices, net = 256, d2l.try_all_gpus(), d2l.resnet18(10, 3)

def init_weights(m):
    if type(m) in [nn.Linear, nn.Conv2d]:
        nn.init.xavier_uniform_(m.weight)

net.apply(init_weights)

def train_with_data_aug(train_augs, test_augs, net, lr=0.001):
    train_iter = load_cifar10(True, train_augs, batch_size)
    test_iter = load_cifar10(False, test_augs, batch_size)
    loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction="none")
    trainer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=lr)
    train_ch13(net, train_iter, test_iter, loss, trainer, 10, devices)

train_with_data_aug(train_augs, test_augs, net)

        总之，图像增广作为一种数据处理技术，在深度学习领域具有重要的意义。通过应用图像增广，我们能够充分挖掘图像特征，提高模型的泛化能力。在实际项目中，我们可以根据需求选择不同的增广技术，从而优化模型的性能。