N0202-图片预处理 transforms 模块机制

2024-03-30 18:01:39

PyTorch 的数据增强

我们在安装PyTorch时，还安装了torchvision，这是一个计算机视觉工具包。有 3 个主要的模块：

torchvision.transforms: 里面包括常用的图像预处理方法
torchvision.datasets: 里面包括常用数据集如 mnist、CIFAR-10、Image-Net 等
torchvision.models: 里面包括常用的预训练好的模型，如 AlexNet、VGG、ResNet、GoogleNet 等

深度学习模型是由数据驱动的，数据的数量和分布对模型训练的结果起到决定性作用。所以我们需要对数据进行预处理和数据增强。下面是用数据增强，从一张图片经过各种变换生成 64 张图片，增加了数据的多样性，这可以提高模型的泛化能力。

常用的图像预处理方法有：

数据中心化
数据标准化
缩放
裁剪
旋转
翻转
填充
噪声添加
灰度变换
线性变换
仿射变换
亮度、饱和度以及对比度变换。

在人民币图片二分类实验中，我们对数据进行了一定的增强。

# 设置训练集的数据增强和转化
train_transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize((32, 32)),# 缩放
    transforms.RandomCrop(32, padding=4), #裁剪
    transforms.ToTensor(), # 转为张量，同时归一化
    transforms.Normalize(norm_mean, norm_std),# 标准化
])

# 设置验证集的数据增强和转化，不需要 RandomCrop
valid_transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize((32, 32)),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize(norm_mean, norm_std),
])

当我们需要多个transforms操作时，需要作为一个list放在transforms.Compose中。需要注意的是transforms.ToTensor()是把图片转换为张量，同时进行归一化操作，把每个通道 0~255 的值归一化为 0~1。在验证集的数据增强中，不再需要transforms.RandomCrop()操作。然后把这两个transform操作作为参数传给Dataset，在Dataset的__getitem__()方法中做图像增强。

def __getitem__(self, index):
	# 通过 index 读取样本
	path_img, label = self.data_info[index]
	# 注意这里需要 convert('RGB')
	img = Image.open(path_img).convert('RGB')     # 0~255
	if self.transform is not None:
		img = self.transform(img)   # 在这里做transform，转为tensor等等
	# 返回是样本和标签
	return img, label

其中self.transform(img)会调用Compose的__call__()函数：

def __call__(self, img):
	for t in self.transforms:
		img = t(img)
	return img

可以看到，这里是遍历transforms中的函数，按顺序应用到 img 中。

transforms.Normalize

torchvision.transforms.Normalize(mean, std, inplace=False)

功能：逐 channel 地对图像进行标准化

output = ( input - mean ) / std

mean: 各通道的均值
std: 各通道的标准差
inplace: 是否原地操作

该方法调用的是F.normalize(tensor, self.mean, self.std, self.inplace)

而``F.normalize()`方法如下：

def normalize(tensor, mean, std, inplace=False):
    if not _is_tensor_image(tensor):
        raise TypeError('tensor is not a torch image.')

    if not inplace:
        tensor = tensor.clone()

    dtype = tensor.dtype
    mean = torch.as_tensor(mean, dtype=dtype, device=tensor.device)
    std = torch.as_tensor(std, dtype=dtype, device=tensor.device)
    tensor.sub_(mean[:, None, None]).div_(std[:, None, None])
    return tensor

首先判断是否为 tensor，如果不是 tensor 则抛出异常。然后根据inplace是否为 true 进行 clone，接着把mean 和 std 都转换为tensor (原本是 list)，最后减去均值除以方差：tensor.sub_(mean[:, None, None]).div_(std[:, None, None])

对数据进行均值为 0，标准差为 1 的标准化，可以加快模型的收敛。

在逻辑回归的实验中，我们的数据生成代码如下：

sample_nums = 100
mean_value = 1.7
bias = 1
n_data = torch.ones(sample_nums, 2)
# 使用正态分布随机生成样本，均值为张量，方差为标量
x0 = torch.normal(mean_value * n_data, 1) + bias      # 类别0 数据 shape=(100, 2)
# 生成对应标签
y0 = torch.zeros(sample_nums)                         # 类别0 标签 shape=(100, 1)
# 使用正态分布随机生成样本，均值为张量，方差为标量
x1 = torch.normal(-mean_value * n_data, 1) + bias     # 类别1 数据 shape=(100, 2)
# 生成对应标签
y1 = torch.ones(sample_nums)                          # 类别1 标签 shape=(100, 1)
train_x = torch.cat((x0, x1), 0)
train_y = torch.cat((y0, y1), 0)

生成的数据均值是mean_value+bias=1.7+1=2.7，比较靠近 0 均值。模型在 380 次迭代时，准确率就超过了 99.5%。

如果我们把 bias 修改为 5。那么数据的均值变成了 6.7，偏离 0 均值较远，这时模型训练需要更多次才能收敛 (准确率达到 99.5%)。

参考资料

码农公寓

PyTorch 的数据增强

transforms.Normalize

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