[笔记] Data Augmentation for Computer Vision with PyTorch

╰半橙微兮° 2021-11-26 22:52 455阅读 0赞

> 数据增强（Data Augmentation）是一种避免模型过拟合、提高模型泛化能力的常见手段，由于种类和细节繁多，很少有人对其进行整理。  
> 本篇博文旨在对常见的数据增强方式进行整理，并利用 torchvision 所提供的函数进行 Python 代码示例。

### 1. Basic knowledge About torchvision.transforms ###

> torchvision 提供子包 transforms，用以进行常见的图像变换（image transformation），常用于图像数据的数据增强。  
> 官方文档：[链接][Link 1]

torchvision.transforms 所提供的各个具体的 transforms 类可以利用 torchvision.transforms.Compose() 进行结合，方便代码的编写：

trans = transforms.Compose([ 
                transforms.Resize((args.MultiScale,args.MultiScale)),
                transforms.ColorJitter(brightness=(0.5,1.5), contrast=(0.5,1.5), saturation=(0.5,1.5), hue=(-0.1,0.1)),
                transforms.ToTensor(),
                transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406],std=[0.229, 0.224, 0.225]),
                ])

常见的 transforms 类所处理的对象都是 PIL 的 Image 实例，不过 torchvision.transforms 仍然提供了可以处理其他数据的 transforms：

*  Transforms on torch.\*Tensor

# 利用该 transfroms 类对 Tensor 进行归一化
    trans = torchvision.transforms.Normalize(mean, std, inplace=False)

*  Conversion Transforms

# 利用该 transfroms 类将 Tensor 转化为 PIL 的 Image 实例
    trans = torchvision.transforms.ToPILImage(mode=None)
    # 利用该 transfroms 类将 PIL 的 Image 实例转化为 Tensor
    trans = torchvision.transforms.ToTensor()

*  Generic Transforms

# 该 transfroms 类支持将 lambda function 转为 transform，常与 transforms.Compose() 结合使用
    trans = torchvision.transforms.Lambda(lambda_function)

### 2. Data Augmentation for Computer Vision ###

*  **光度畸变（Photometric Distortions）**
    
     *  随机色彩抖动（Random Color Jitter）
    
        # 其中，brightness 指定亮度抖动范围，contrast 指定对比度抖动范围，saturation 指定饱和度抖动范围，hue 指定色调抖动范围。
        # 参数格式为：float or tuple of python:float (min, max)，分别对应的抖动范围为[max(0,1-param),1+param] or the given [min, max]。
        # brightness/contrast/saturation 要求非负， 而 hue 则要求 0<=hue<=0.5 or -0.5<=min<=max<=0.5$。
        trans = torchvision.transforms.ColorJitter(brightness=0, contrast=0, saturation=0, hue=0)
        
        # 还可以用 torchvision.transforms.functional 所提供的函数进行色彩抖动
        trans = torchvision.transforms.functional.adjust_brightness(img, brightness_factor) # 调节图像亮度
        trans = torchvision.transforms.functional.adjust_contrast(img, contrast_factor) # 调节图像对比度
        trans = torchvision.transforms.functional.adjust_saturation(img, saturation_factor) # 调节图像饱和度
        trans = torchvision.transforms.functional.adjust_hue(img, hue_factor) # 调节图像色调
        trans = torchvision.transforms.functional.adjust_gamma(img, gamma, gain=1) # 进行伽马矫正
    
     *  随机通道（Random Channel Shffule）
    
        ChannelShuufle = [Lambda(lambda img: Image.merge('RGB', (img.split[0], img.split[1], img.split[2]))),
        Lambda(lambda img: Image.merge('RGB', (img.split[0], img.split[2], img.split[1]))),
        Lambda(lambda img: Image.merge('RGB', (img.split[1], img.split[0], img.split[1]))),
        Lambda(lambda img: Image.merge('RGB', (img.split[1], img.split[2], img.split[0]))),
        Lambda(lambda img: Image.merge('RGB', (img.split[2], img.split[0], img.split[1]))),
        Lambda(lambda img: Image.merge('RGB', (img.split[2], img.split[1], img.split[0])))]
        trans = torchvision.transforms.RandomChoice(ChannelShffule)
    
     *  随机转化为灰度图（Random Grayscale）
    
        # 其中，p 为随机转化概率，所输出 Tensor 的通道数与输入保持一致
        trans = torchvision.transforms.RandomGrayscale(p=0.1)
        # 利用 RandomApply 可以做到指定所输出 Tensor 的通道数
        # 其中，p 为随机概率，num_output_channels 指定所输出 Tensor 的通道数
        trans = torchvision.transforms.RandomApply(torchvision.transforms.Grayscale(num_output_channels=1), p=0.5)
    
     *  归一化（Normalization）
    
        # 其中，Iamge Net 常用参数为：mean=[0.485, 0.456, 0.406],std=[0.229, 0.224, 0.225]
        # PS：需要先将图像转为 Tensor
        trans = torchvision.transforms.Compose([ 
                transforms.ToTensor(),
                transforms.Normalize(mean, std, inplace=False),
                ])
    
     *  未完待续
 *  **几何畸变（Geometric Distortions）**
    
     *  调整图像大小（Resize Image）
    
        # 其中，size 为缩放后图像的大小，格式为：(sequence or int)； interpolation 指定插值方式，为可选参数，格式为：int（默认值为 PIL.Image.BILINEAR）。
        # size 为 (h,w) 时，缩放后的图像大小为 (h,w)；size 为 int 时，图像将保持原有宽高比进行缩放且最短边将缩放至 size 大小，即 (size * height/width, size)（当原图像高比宽长时）。
        trans = torchvision.transforms.Resize(size, interpolation=2)
    
     *  扩展边界框（Expand Bounding Box）
    
        def EnlargeBBox(img,bbox,Factor_H,Factor_V):
        	ori_img_w, ori_img_h = img.size
        
            # BoundingBox
            left  = bbox[0]
            upper = bbox[1]
            right = bbox[2]
            lower = bbox[3]
            
            # Set Enlarge Facotr
            padding_h = max(0, int((right - left)*Factor_H)) 
            padding_v = max(0, int((lower - upper)*Factor_V))
            
            # Enlarge Bounding Box
        	left  = max(left - int(0.5*padding_h), 0)
            right = min(right + int(0.5*padding_h), ori_img_w)
            upper = max(upper - int(0.5*padding_v), 0)
            lower = min(lower + int(0.5*padding_v), ori_img_h)
            
        	# return (left,right,upper,lower)
        	return left, upper, lower-upper, right-left
        
        # 利用 torchvision.transforms.functional.crop 进行 ROI 提取
        patch = torchvision.transforms.functional.crop(img, *EnlargeBBox(img,bbox,Factor_H,Factor_V))
    
     *  中心裁剪（Center Crop）
    
        # 其中，size 指定所裁剪区域大小，参数格式为：int or tuple of python
        # 当 size 为 int 时，所裁剪的区域大小为 (size,size)
        trans = torchvision.transforms.CenterCrop(size)
        
        # 可以用 torchvision.transforms.functional.crop(img, i, j, h, w) 进行精细裁剪
        # 其中，(i,j) 为裁剪区域的左上角坐标，(h,w) 为裁剪区域的高与宽
        patch = torchvision.transforms.functional.crop(img, i, j, h, w)
    
     *  随机裁剪（Random Crop）
    
        trans = torchvision.transforms.RandomCrop(size, padding=None, pad_if_needed=False, fill=0, padding_mode='constant')
    
     *  随机旋转（Random Rotation）
    
        # 其中，degrees 指定随机旋转的角度范围，格式为：(sequence or float or int) 。
        trans = torchvision.transforms.RandomRotation(degrees, resample=False, expand=False, center=None)
    
     *  随机翻转（Random Flip）
        
         *  随机垂直翻转
        
            trans = torchvision.transforms.RandomVerticalFlip(p=0.5) # 其中，p 为翻转概率
        
         *  随机水平翻转
        
            trans = torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5) # 其中，p 为翻转概率
     *  未完待续

**参考资料：**

*  [Image augmentation for machine learning experiments. ][Image augmentation for machine learning experiments.]
 *  [Torchvision transforms 总结][Torchvision transforms]
 *  [深度学习入门之Pytorch——数据增强][Pytorch]

[Link 1]: https://pytorch.org/docs/stable/torchvision/transforms.html#conversion-transforms
[Image augmentation for machine learning experiments.]: https://github.com/aleju/imgaug
[Torchvision transforms]: https://blog.csdn.net/hansry/article/details/84071316
[Pytorch]: https://blog.csdn.net/weixin_40793406/article/details/84867143