图像增广
官方笔记：图像增广
学习视频：数据增广【动手学深度学习v2】
图像增广在对训练图像进行一系列的随机变化之后，生成相似但不同的训练样本，从而扩大了训练集的规模。 此外，应用图像增广的原因是，随机改变训练样本可以减少模型对某些属性的依赖，从而提高模型的泛化能力。 例如，我们可以以不同的方式裁剪图像，使感兴趣的对象出现在不同的位置，减少模型对于对象出现位置的依赖。 我们还可以调整亮度、颜色等因素来降低模型对颜色的敏感度。 可以说，图像增广技术对于AlexNet的成功是必不可少的。
%matplotlib inline
import torch
import torchvision
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
1.常用的图像增广方法
在对常用图像增广方法的探索时，我们将使用下面这个尺寸为400×500的图像作为示例
d2l.set_figsize()
img = d2l.Image.open('F:/pytorch/img/cat.jpg')
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):
Y = [aug(img) for _ in range(num_rows * num_cols)]
d2l.show_images(Y, num_rows, num_cols, scale=scale)
1.1翻转和裁剪
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。 接下来，我们使用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。
apply(img, torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip())
上下翻转图像不如左右图像翻转那样常用。但是，至少对于这个示例图像，上下翻转不会妨碍识别。接下来，我们创建一个RandomFlipTopBottom实例，使图像各有50%的几率向上或向下翻转。
apply(img, torchvision.transforms.RandomVerticalFlip())
在我们使用的示例图像中，猫位于图像的中间，但并非所有图像都是这样。我们解释了池化层可以降低卷积层对目标位置的敏感性。 另外，我们可以通过对图像进行随机裁剪，使物体以不同的比例出现在图像的不同位置。 这也可以降低模型对目标位置的敏感性。
下面的代码将随机裁剪一个面积为原始面积10%到100%的区域，该区域的宽高比从0.5～2之间随机取值。 然后，区域的宽度和高度都被缩放到200像素。 在本节中（除非另有说明），a和b之间的随机数指的是在区间[a,b]中通过均匀采样获得的连续值
shape_aug = torchvision.transforms.RandomResizedCrop(
(200, 200), scale=(0.1, 1), ratio=(0.5, 2))
apply(img, shape_aug)
1.2改变颜色
另一种增广方法是改变颜色。 我们可以改变图像颜色的四个方面：亮度、对比度、饱和度和色调。 在下面的示例中，我们随机更改图像的亮度，随机值为原始图像的50%（1−0.5）到150%（1+0.5）之间。
apply(img, torchvision.transforms.ColorJitter(
brightness=0.5, contrast=0, saturation=0, hue=0))
同样，我们可以随机更改图像的色调。
apply(img, torchvision.transforms.ColorJitter(
brightness=0, contrast=0, saturation=0, hue=0.5))
我们还可以创建一个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)
1.3结合多种图像增广方法
在实践中，我们将结合多种图像增广方法。比如，我们可以通过使用一个Compose实例来综合上面定义的不同的图像增广方法，并将它们应用到每个图像。
augs = torchvision.transforms.Compose([
torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip(), color_aug, shape_aug])
apply(img, augs)
2.使用图像增广进行训练
让我们使用图像增广来训练模型。 这里，我们使用CIFAR-10数据集，而不是我们之前使用的Fashion-MNIST数据集。 这是因为Fashion-MNIST数据集中对象的位置和大小已被规范化，而CIFAR-10数据集中对象的颜色和大小差异更明显。 CIFAR-10数据集中的前32个训练图像如下所示。
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);
为了在预测过程中得到确切的结果，我们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。 在这里，我们只使用最简单的随机左右翻转。 此外，我们使用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()])
test_augs = torchvision.transforms.Compose([
torchvision.transforms.ToTensor()])
接下来，我们定义一个辅助函数，以便于读取图像和应用图像增广。PyTorch数据集提供的transform参数应用图像增广来转化图像
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
3.训练
我们定义一个函数，使用GPU对模型进行训练和评估
def train_batch_ch13(net,X,y,loss,trainer,device):
if isinstance(X, list):
# Bert微调所需的
X = [x.to(device) for x in X]
else:
X = X.to(device)
y = y.to(device)
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
下面的函数中，不进行画图，将每次训练的损失误差、准确率显示出来
def train_ch13(net,train_iter,test_iter,loss,trainer,num_epochs,device):
timer, num_batches = d2l.Timer(), len(train_iter)
net.to(device)
for epoch in range(num_epochs):
metric = d2l.Accumulator(4)
for i,(features,labels) in enumerate(train_iter):
timer.start()
l,acc = train_batch_ch13(
net,features,labels,loss,trainer,device
)
metric.add(l,acc,labels.shape[0],labels.numel())
timer.stop()
test_acc = d2l.evaluate_accuracy_gpu(net,test_iter)
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(device)}')
现在，我们可以定义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, device, net = 256, d2l.try_gpu(), 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, 3, devices)
让我们使用基于随机左右翻转的图像增广来训练模型。
train_with_data_aug(train_augs, test_augs, net)
文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-680245.html
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- 数据增广通过变形数据来获取多样性从而使得模型泛化性能更好
- 常见图片增广包括翻转、切割、变色
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