第二十一章 数据处理篇:imgaug

参考教程:
https://imgaug.readthedocs.io/en/latest/source/jupyter_notebooks.html

文章目录

  • 概述
  • 针对图片的增强
    • 基础使用样例
    • base class: augment
    • 增强的组合
      • sequential
      • someof和oneof
      • sometimes
    • 增强的种类
  • 针对关键点的增强
  • 针对包围框的增强

概述

imgaug是一个使用的数据增强工具,不仅提供了常见的形状和颜色的增强方法,还提供了一些特殊的增强方法,比如说针对keypoint和bounding boxes的增强。

imgaug中的大部分增强方法,都要求你的输入图像是uint8的numpy arrays,并且最好是RGB图像。更具体的类型要求可以参考dtype_support.html

接下来我们按照imgaug提供的notebook中的处理顺序,来看一下各种类型的增强方法。

针对图片的增强

首先我们来看一下基础的针对图像的增强方法,我们使用imageio读入一张图片,使用imageio直接读入的图像通道就是按照RGB排列的,如果使用opencv,需要自行转换成RGB。
第二十一章 数据处理篇:imgaug_第1张图片

基础使用样例

imgaug中提供了多种增强方法,并且使用起来很简单,只需要实例化某方法并设定好参数后,再将你的图片传入即可。

以放射变化为例:
第二十一章 数据处理篇:imgaug_第2张图片
我们可以看一下仿射变化的源码:

classimgaug.augmenters.geometric.Affine(scale=None, translate_percent=None, translate_px=None, rotate=None, shear=None, order=1, cval=0, mode='constant', fit_output=False, backend='auto', seed=None, name=None, random_state='deprecated', deterministic='deprecated')

它的输入参数有多个,包括:

  1. scale: 缩放
  2. translate_percent:平移比例
  3. translate_px:平移像素值
  4. rotate:旋转角度
  5. shear:错切角度

在上面的例子中,我们使用的参数是rotate = (-25,25),意思就是旋转的范围在-25度和25度之间。

也可以将一组图像作为输入,要注意这时输入参数是images而不再是image
第二十一章 数据处理篇:imgaug_第3张图片
并且imgaug中,images是支持不同大小的图像的。

base class: augment

class imgaug.augmenters.meta.Augmenter(seed=None, name=None, random_state='deprecated', deterministic='deprecated')

基本上各种增强方法都是继承了Augmenter这个类,在刚刚的使用例子中提到如果传参使用image就是增强单张图像,使用images就是多张,我们看看源码具体是如何实现的。那么这就首先要来看Augmenter这个class的__call__()方法。

def __call__(self, *args, **kwargs):
        """Alias for :func:`~imgaug.augmenters.meta.Augmenter.augment`."""
        return self.augment(*args, **kwargs)

它实际上调用的是本身的augment的方法。

def augment(self, return_batch=False, hooks=None, **kwargs):

augment方法的固定传参只有两个,一个是return_batch,默认是False。另一个是hooks。这两个参数我们都可以暂时不管它。

在具体的实现上,这个方法对你的传入参数其实是有要求的。

expected_keys = ["images", "heatmaps", "segmentation_maps",
                         "keypoints", "bounding_boxes", "polygons",
                         "line_strings"]
        expected_keys_call = ["image"] + expected_keys

它列举了一些需要被增强的数据的类型,包括图像,关键点等。你传入的kwargs中至少要有一个key包含在expected_keys中。

接下来会构建一个batch,batch中就是你想增强的数据。并按照你设定的方法进行增强处理。

batch = UnnormalizedBatch(
            images=images,
            heatmaps=kwargs.get("heatmaps", None),
            segmentation_maps=kwargs.get("segmentation_maps", None),
            keypoints=kwargs.get("keypoints", None),
            bounding_boxes=kwargs.get("bounding_boxes", None),
            polygons=kwargs.get("polygons", None),
            line_strings=kwargs.get("line_strings", None)
        )
batch_aug = self.augment_batch_(batch, hooks=hooks)

for key in kwargs:
     if key == "image":
         attr = getattr(batch_aug, "images_aug")
         result.append(attr[0])
     else:
         result.append(getattr(batch_aug, "%s_aug" % (key,)))

增强的组合

在imgaug中可以将多个增强方法放在一起使用。增强方法的组合方式也有多种。

sequential

classimgaug.augmenters.meta.Sequential(children=None, random_order=False, seed=None, name=None, random_state='deprecated', deterministic='deprecated')

Sequential的传入参数是一组augmenter,并且在使用时会顺序的执行。也就是你的第二个增强方法要增强的对象,是经过第一个增强方法增强后的结果。
如下例子:执行的顺序是仿射变化,高斯模糊,然后crop。所以你可以明显看到,旋转后空出来的黑边上也有高斯模糊的效果。

假如调换一下高斯模糊和仿射的顺序。得到的结果中黑色区域就没有模糊效果了。

someof和oneof

class imgaug.augmenters.meta.SomeOf(n=None, children=None, random_order=False, seed=None, name=None, random_state='deprecated', deterministic='deprecated')

someof可以随机选择多个augmenter中的几个,并用于增强你给的输入图像。它的第一个传入参数n代表了你需要的subset的大小,也可以把它指定成一个tuple,比如(0,None)。None在这里表示最大值。

class imgaug.augmenters.meta.OneOf(children, seed=None, name=None, random_state='deprecated', deterministic='deprecated')

oneof就是每次只从你给定的增强方法中选择一个来使用。
第二十一章 数据处理篇:imgaug_第4张图片

sometimes

class imgaug.augmenters.meta.Sometimes(p=0.5, then_list=None, else_list=None, seed=None, name=None, random_state='deprecated', deterministic='deprecated')

sometimes针对的是一组图像,它的作用是只对图像中指定比例进行增强。
如下图,下图中有一半图像被添加了高斯噪声,有一半则经过了仿射变换。

第二十一章 数据处理篇:imgaug_第5张图片

增强的种类

针对图像的增强,按照实现的效果可以分为以下几类:

  1. 算术

    1. add:在原像素上加上一个值,包括Add:添加单个值,AddElementwise:给像素点添加不同的值,添加不同类型的noise等。
    2. multiply:在原像素上乘上一个值,包括Multiply:乘单个值,MultiplyElementwise:每个像素乘不同的值。
    3. cut:将图中某个区域填充成特定值。包括Cutout:填充一个矩形区域。Dropout:用0填充指定比例的像素。
    4. replace:ReplaceElementwise:用给定值填充指定比例的像素。Salt:用椒盐噪声填充像素。
    5. Invert:反转图像中所有的像素值。包括Invert:把value改为255-value。Solarize:反转超过给定阈值的像素值。
  2. 艺术

    1. cartoon:支持大小在200-800间的图像。
  3. blend
    blend: 混合两张图片。包括BlendAlpha,以代码为例,输入factor,fg,bg等。返回的结果是factor*fg+(1-factor)*bg。此外还包括BlendAlphaMask:使用一个mask,BlendAlphaElementwise:每个像素选取不同的factor。

    classimgaug.augmenters.blend.BlendAlpha(factor=(0.0, 1.0), foreground=None, background=None, per_channel=False, seed=None, name=None, random_state='deprecated', deterministic='deprecated'
    
  4. blur
    blur:对图像添加模糊效果。包括GaussianBlur:高斯模糊,AverageBlur:均值模糊,MedianBlur:中值模糊等。

  5. color

    1. ColorSpace: colorspace相关的增强算法,会进行颜色空间的转换。包括WithColorspace:从a空间转到b,在b上做增强后转回a。WithBrightnessChannels:从某空间转到一个包含亮度通道的空间,修改亮度后转回去原空间。ChangeColorspace:将图片从a空间转到b空间。Grayscale:将图片转成灰度图。
    2. Temperature:包括ChangeColorTemperature,改变图片的色调。
    3. Quantization:包括KMeansColorQuantization:使用聚类方法分配像素,并用聚类中心取代像素值。UniformColorQuantization:使用某种距离算法将像素分为N个bins。
  6. contrast
    contrast: 包括各种对比度调整算法,比如GammaContrast,SigmoidContrast等。

  7. Convolve
    convolve:包括一些可以用卷积核实现的增强操作,比如说自定义卷积核,再比如说锐化,边缘检测等。

  8. flip
    flip:包括水平翻转,垂直翻转,

  9. geometric
    geometric:一些几何变化,包括仿射,缩放,平移,旋转等。

针对关键点的增强

关键点是图像中特点的点,一般标记成位置坐标的形式。当你对图像使用几何类的增强方法时,它的像素位置会发生变化,那么关键点的位置也可能发生改变。

imgaug中的增强方法,可以将image的keypoint也作为输入,让keypoint随着图像一起改变。

第二十一章 数据处理篇:imgaug_第6张图片
图中是一个大小为(389,259)的袋鼠图片,它包括五个关键点,分别是左眼、右眼、鼻子、左手、右手。使用imgaug中提供的类将它们封装好。

  1. imgaug.augmentables.kps.Keypoint
    是一个简单的类,用于标记单个关键点。
  2. imgaug.augmentables.kps.KeypointsOnImage
    将一组关键点组合在一起,初始化时KeypointsOnImage(keypoints, shape),其中keypoints是关键点的列表,shape是对应的图像的大小。

接下来在图片和关键点上施加一个仿射变化。这个变化涉及到了平移和旋转。
可以看到关键点也随着图像的变化发生了变化。
第二十一章 数据处理篇:imgaug_第7张图片

针对包围框的增强

和关键点类似,当对图像做几何类的增强变化时,它的包围框也可能受到影响。

imgaug中的增强方法,也可以把包围框作为输入,让它随着图像一起变化。
第二十一章 数据处理篇:imgaug_第8张图片
图中是一个大小为(298,477)的图片,包括两个小动物,每个动物都有它自己的bounding box。imgaug提供了api将包围框封装起来。

  1. imgaug.augmentables.bbs.BoundingBox(x1, y1, x2, y2, label=None)
    是一个简单的类,用于标记一个包围框。
  2. imgaug.augmentables.bbs.BoundingBoxesOnImage(bounding_boxes, shape)
    包含一个图片中的一组包围框,它的传入参数有两个,第一个是包围框的list,第二个是对应的图像的shape。

接下来在图片和包围框上施加一个仿射变化。这个变化涉及到了平移和旋转。
可以看到包围框也随着图像的变化发生了变化。

第二十一章 数据处理篇:imgaug_第9张图片

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