.. _sec_image_augmentation: 图像增广 ======== :numref:`sec_alexnet`\ 提到过大型数据集是成功应用深度神经网络的先决条件。 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。本节将讨论这项广泛应用于计算机视觉的技术。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python %matplotlib inline import mindcv import mindspore from mindspore import nn from d2l import mindspore as d2l .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python %matplotlib inline import torch import torchvision from torch import nn from d2l import torch as d2l .. raw:: html
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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\ :math:`400\times 500`\ 的图像作为示例。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python d2l.set_figsize() img = d2l.Image.open('../img/cat1.jpg') d2l.plt.imshow(img); .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_12_0.svg .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python d2l.set_figsize() img = d2l.Image.open('../img/cat1.jpg') d2l.plt.imshow(img); .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_15_0.svg .. raw:: html
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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。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def apply(img, aug, num_rows=2, num_cols=4, scale=1.5): if isinstance(aug(img), tuple): # add [0] to tuple of the return of mindspore.Compose() Y = [aug(img)[0] for _ in range(num_rows * num_cols)] else: Y = [aug(img) for _ in range(num_rows * num_cols)] d2l.show_images(Y, num_rows, num_cols, scale=scale) .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python 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) .. raw:: html
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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。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python apply(img, mindspore.dataset.vision.RandomHorizontalFlip()) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_30_0.svg .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python apply(img, torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip()) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_33_0.svg .. raw:: html
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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。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python apply(img, mindspore.dataset.vision.RandomVerticalFlip()) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_39_0.svg .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python apply(img, torchvision.transforms.RandomVerticalFlip()) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_42_0.svg .. raw:: html
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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。 在 :numref:`sec_pooling`\ 中,我们解释了汇聚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),\ :math:`a`\ 和\ :math:`b`\ 之间的随机数指的是在区间\ :math:`[a, b]`\ 中通过均匀采样获得的连续值。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python shape_aug = mindspore.dataset.vision.RandomResizedCrop( (200, 200), scale=(0.1, 1), ratio=(0.5, 2)) apply(img, shape_aug) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_48_0.svg .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python shape_aug = torchvision.transforms.RandomResizedCrop( (200, 200), scale=(0.1, 1), ratio=(0.5, 2)) apply(img, shape_aug) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_51_0.svg .. raw:: html
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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%(\ :math:`1-0.5`\ )到150%(\ :math:`1+0.5`\ )之间。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python apply(img, mindspore.dataset.vision.RandomColorAdjust( brightness=0.5, contrast=0, saturation=0, hue=0)) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_57_0.svg .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python apply(img, torchvision.transforms.ColorJitter( brightness=0.5, contrast=0, saturation=0, hue=0)) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_60_0.svg .. raw:: html
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同样,我们可以随机更改图像的色调。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python apply(img, mindspore.dataset.vision.RandomColorAdjust( brightness=0, contrast=0, saturation=0, hue=0.5)) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_66_0.svg .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python apply(img, torchvision.transforms.ColorJitter( brightness=0, contrast=0, saturation=0, hue=0.5)) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_69_0.svg .. raw:: html
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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``\ )。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python color_aug = mindspore.dataset.vision.RandomColorAdjust( brightness=0.5, contrast=0.5, saturation=0.5, hue=0.5) apply(img, color_aug) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_75_0.svg .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python color_aug = torchvision.transforms.ColorJitter( brightness=0.5, contrast=0.5, saturation=0.5, hue=0.5) apply(img, color_aug) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_78_0.svg .. raw:: html
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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。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python augs = mindspore.dataset.transforms.Compose([ mindspore.dataset.vision.RandomHorizontalFlip(), color_aug, shape_aug]) apply(img, augs) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_84_0.svg .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python augs = torchvision.transforms.Compose([ torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip(), color_aug, shape_aug]) apply(img, augs) .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_87_0.svg .. raw:: html
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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。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python all_images = mindcv.create_dataset('cifar10',root="../data", split='train', download=True).create_tuple_iterator() d2l.show_images([next(all_images)[0] for i in range(32)], 4, 8, scale=0.8); .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_93_0.svg .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python 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); .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_96_0.svg .. raw:: html
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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。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python train_augs = mindspore.dataset.transforms.Compose([ mindspore.dataset.vision.RandomHorizontalFlip(), mindspore.dataset.vision.ToTensor()]) test_augs = mindspore.dataset.transforms.Compose([ mindspore.dataset.vision.ToTensor()]) .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python 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。有关\ ``DataLoader``\ 的详细介绍,请参阅 :numref:`sec_fashion_mnist`\ 。 .. raw:: html
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begin_tab:``mindspore`` 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。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python def load_cifar10(is_train, augs, batch_size): usage = 'train' if is_train else 'test' target_trans = mindspore.dataset.transforms.TypeCast(mindspore.dtype.int32) dataset = mindcv.create_dataset('cifar10',root="../data", split=usage, shuffle=is_train, download=True) dataset = dataset.map(augs, input_columns='image', num_parallel_workers=d2l.get_dataloader_workers()) dataset = dataset.map(target_trans, input_columns='label', num_parallel_workers=d2l.get_dataloader_workers()) dataset = dataset.batch(batch_size) return dataset .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python 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 .. raw:: html
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用GPU训练 ~~~~~~~~~ 我们在CIFAR-10数据集上训练 :numref:`sec_resnet`\ 中的ResNet-18模型。 接下来,我们定义一个函数,使用GPU对模型进行训练和评估。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python #@save def train_batch_ch13(train_step, X, y): """用GPU进行小批量训练""" l, pred = train_step(X, y) 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): """用GPU进行模型训练""" timer, num_batches = d2l.Timer(), train_iter.get_dataset_size() animator = d2l.Animator(xlabel='epoch', xlim=[1, num_epochs], ylim=[0, 1], legend=['train loss', 'train acc', 'test acc']) def forward_fn(inputs, targets): logits = net(inputs) l = loss(logits, targets) return l, logits grad_fn = mindspore.value_and_grad(forward_fn, None, trainer.parameters, has_aux=True) def train_step(inputs, targets): (l, logits), grads = grad_fn(inputs, targets) trainer(grads) return l, logits 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) net.set_train() for i, (features, labels) in enumerate(train_iter): timer.start() l, acc = train_batch_ch13( train_step, 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') .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python #@save def train_batch_ch13(net, X, y, loss, trainer, devices): """用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)}') .. raw:: html
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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。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python batch_size, net = 256, d2l.resnet18(10, 3) def init_weights(m): if type(m) in [nn.Dense, nn.Conv2d]: m.weight.set_data(mindspore.common.initializer.initializer('xavier_uniform', m.weight.shape)) 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 = nn.Adam(net.trainable_params(), learning_rate=lr) train_ch13(net, train_iter, test_iter, loss, trainer, 10) .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python 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) .. raw:: html
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让我们使用基于随机左右翻转的图像增广来训练模型。 .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python train_with_data_aug(train_augs, test_augs, net) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output loss 0.170, train acc 0.940, test acc 0.842 5951.8 examples/sec .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_139_1.svg .. raw:: html
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.. raw:: latex \diilbookstyleinputcell .. code:: python train_with_data_aug(train_augs, test_augs, net) .. raw:: latex \diilbookstyleoutputcell .. parsed-literal:: :class: output loss 0.168, train acc 0.942, test acc 0.844 8022.7 examples/sec on [device(type='cuda', index=0)] .. figure:: output_image-augmentation_7d0887_142_1.svg .. raw:: html
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小结 ---- - 图像增广基于现有的训练数据生成随机图像,来提高模型的泛化能力。 - 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,而在预测过程中不使用带随机操作的图像增广。 - 深度学习框架提供了许多不同的图像增广方法,这些方法可以被同时应用。 练习 ---- 1. 在不使用图像增广的情况下训练模型:\ ``train_with_data_aug(no_aug, no_aug)``\ 。比较使用和不使用图像增广的训练结果和测试精度。这个对比实验能支持图像增广可以减轻过拟合的论点吗?为什么? 2. 在基于CIFAR-10数据集的模型训练中结合多种不同的图像增广方法。它能提高测试准确性吗? 3. 参阅深度学习框架的在线文档。它还提供了哪些其他的图像增广方法? .. raw:: html
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`讨论 `__ .. raw:: html
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`讨论 `__ .. raw:: html
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