【方法】数据增强(Data Augmentation)

在训练过程中，网络优化是一方面，数据集的优化又是另一方面。数据集会存在各类样本不均匀的情况，也就是各类样本的数量不一样，有的甚至差别很大。为了让模型具有更强的鲁棒性，采用Data
Augmentation是一个不错的选择。



* 常用的方法 <https://blog.csdn.net/yzy_1996/article/details/82223241#常用的方法>
* ImageDataGenerator()函数
<https://blog.csdn.net/yzy_1996/article/details/82223241#imagedatagenerator函数>
* PCA Jittering方法
<https://blog.csdn.net/yzy_1996/article/details/82223241#pca-jittering方法>
* Label Shuffling
<https://blog.csdn.net/yzy_1996/article/details/82223241#label-shuffling>


常用的方法

* Color Jittering：对颜色的数据增强：图像亮度、饱和度、对比度变化（此处对色彩抖动的理解不知是否得当）
* PCA Jittering：首先按照RGB三个颜色通道计算均值和标准差，再在整个训练集上计算协方差矩阵，进行特征分解，得到特征向量和特征值。参见论文
<https://papers.nips.cc/paper/4824-imagenet-classification-with-deep-convolutional-neural-networks.pdf>
* Random Scale：尺度变换
* Random Crop：采用随机图像差值方式，对图像进行裁剪、缩放；包括Scale
Jittering方法（VGG及ResNet模型使用）或者尺度和长宽比增强变换
* Horizontal/Vertical Flip：水平/垂直翻转
* Shift：平移变换
* Rotation/Reflection：旋转/仿射变换
* Noise：高斯噪声、模糊处理
* Label shuffle：类别不平衡数据的增广，参见海康威视ILSVRC2016的report
ImageDataGenerator()函数

这是Keras提供的一个自动增强的函数
ImageDataGenerator( featurewise_center=False, samplewise_center=False,
featurewise_std_normalization=False, samplewise_std_normalization=False,
zca_whitening=False, rotation_range=0., width_shift_range=0.,
height_shift_range=0., shear_range=0., zoom_range=0., channel_shift_range=0.,
fill_mode='nearest', cval=0., horizontal_flip=False, vertical_flip=False,
rescale=None, dim_ordering=K.image_dim_ordering())
参数解释，所有参数不一定都需要包括，可以不写。
featurewise_center：布尔值，使输入数据集去中心化（均值为0） samplewise_center：布尔值，使输入数据的每个样本均值为0
featurewise_std_normalization：布尔值，将输入除以数据集的标准差以完成标准化
samplewise_std_normalization：布尔值，将输入的每个样本除以其自身的标准差
zca_whitening：布尔值，对输入数据施加ZCA白化 rotation_range：整数，数据提升时图片随机转动的角度
width_shift_range：浮点数，图片宽度的某个比例，数据提升时图片水平偏移的幅度
height_shift_range：浮点数，图片高度的某个比例，数据提升时图片竖直偏移的幅度
shear_range：浮点数，剪切强度（逆时针方向的剪切变换角度） zoom_range：浮点数或形如[lower,upper
]的列表，随机缩放的幅度，若为浮点数，则相当于[lower,upper] = [1 - zoom_range, 1+zoom_range]
channel_shift_range：浮点数，随机通道偏移的幅度 fill_mode：；‘constant’，‘nearest’，‘reflect’或‘
wrap’之一，当进行变换时超出边界的点将根据本参数给定的方法进行处理 cval：浮点数或整数，当fill_mode=constant
时，指定要向超出边界的点填充的值 horizontal_flip：布尔值，进行随机水平翻转 vertical_flip：布尔值，进行随机竖直翻转
rescale: 重放缩因子,默认为None. 如果为None或0则不进行放缩,否则会将该数值乘到数据上(在应用其他变换之前)
dim_ordering：‘tf’和‘th’之一，规定数据的维度顺序。‘tf’模式下数据的形状为samples, width, height,
channels，‘th’下形状为(samples, channels, width,
height).该参数的默认值是Keras配置文件~/.keras/keras.json的image_dim_ordering值,如果你从未设置过的话,就是
'th'
有了这个函数，那怎么具体对一张图片或者批量化处理
from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator, array_to_img,
img_to_array, load_img datagen = ImageDataGenerator( rotation_range=0.2,
width_shift_range=0.2, height_shift_range=0.2, shear_range=0.2, zoom_range=0.2,
horizontal_flip=True, fill_mode='nearest') img = load_img('lena.jpg') x =
img_to_array(img) x = x.reshape((1,) + x.shape) i = 0 for batch in
datagen.flow(x, batch_size=1, save_to_dir='data/preview', #保存在这个文件夹下
save_prefix='lena', save_format='jpg'): i += 1 if i > 20: #生成20张图 break
其中flow函数的参数解释
X：样本数据，秩应为4.在黑白图像的情况下channel轴的值为1，在彩色图像情况下值为3 batch_size：整数，默认32
shuffle：布尔值，是否随机打乱数据，默认为True save_to_dir：None或字符串，该参数能让你将提升后的图片保存起来，用以可视化
save_prefix：字符串，保存提升后图片时使用的前缀, 仅当设置了save_to_dir时生效
save_format：”png”或”jpeg”之一，指定保存图片的数据格式,默认”jpeg”yields:形如(x,y)的tuple,x
是代表图像数据的numpy数组.y是代表标签的numpy数组.该迭代器无限循环. seed: 整数,随机数种子
以上所有详情可以参考keras官方文档 <https://keras.io/preprocessing/image/>
如果你对每一步的效果不够清楚，请参考参数演示 <https://zhuanlan.zhihu.com/p/30197320>

PCA Jittering方法

PCA是主成分分析，它是为了减少数据集的维数，同时保持数据集中的对方差贡献最大的特征，保留低阶主成分，忽略高阶主成分。
实施过程是对协方差矩阵进行特征分解，得到特征值和特征向量。 关于PCA，可以去查看链接。

根据AlexNet论文，内容描述为：

添加多个找到的主成分，其幅度与相应的特征值成正比，并要乘以一个零均值，标准差为0.1的高斯变量，对每一个RGB值 Ixy=[IxyR , IxyG , Ixy
B ] 要添加[p1 , p2 , p3] [α1λα1 ， α2λα2 ， α3λα3]
，p和λ是协方差矩阵的特征向量和特征值，α是高斯变量，该高斯变量的标准差参数也是唯一引入的外部变量

复现代码如下（使用方法在后面）：
import numpy as np import os from PIL import Image, ImageOps import random from
scipyimport misc import imageio def PCA_Jittering(path): img_list =
os.listdir(path) img_num = len(img_list)for i in range(img_num): img_path =
os.path.join(path, img_list[i]) img = Image.open(img_path) img =
np.asanyarray(img, dtype ='float32') img = img / 255.0 img_size = img.size // 3
#转换为单通道 img1 = img.reshape(img_size, 3) img1 = np.transpose(img1) #转置 img_cov =
np.cov([img1[0], img1[1], img1[2]]) #协方差矩阵 lamda, p = np.linalg.eig(img_cov)
#得到上述协方差矩阵的特征向量和特征值 #p是协方差矩阵的特征向量 p = np.transpose(p) #转置回去 #生成高斯随机数********可以修改
alpha1 = random.gauss(0,3) alpha2 = random.gauss(0,3) alpha3 = random.gauss(0,3
)#lamda是协方差矩阵的特征值 v = np.transpose((alpha1*lamda[0], alpha2*lamda[1],
alpha3*lamda[2])) #转置 #得到主成分 add_num = np.dot(p,v) #在原图像的基础上加上主成分 img2 =
np.array([img[:,:,0]+add_num[0], img[:,:,1]+add_num[1], img[:,:,2]+add_num[2]])
#现在是BGR，要转成RBG再进行保存 img2 = np.swapaxes(img2,0,2) img2 = np.swapaxes(img2,0,1)
save_name ='pre'+str(i)+'.png' save_path = os.path.join(path, save_name)
misc.imsave(save_path,img2)#plt.imshow(img2) #plt.show() PCA_Jittering('testpic'
)

使用方法是：主函数PCA_Jitterring括号中的参数是当前路径下的一个文件夹，它会自动加载文件夹中的图片。调整该方法的唯一参数（高斯函数的标准差）是在标记了生成高斯随机数那里，改变参数会得到很不同的效果。

Label Shuffling

由于场景数据集不均匀的类别分布，给模型训练带来了困难。海康威视提出了Label Shuffling的类别平衡策略。在Class-Aware
Sampling方法中，定义了2种列表，一是类别列表，一是每个类别的图像列表，对于80类的分类问题来说，就需要事先定义80个列表，很不方便。对此进行了改进，只需要原始的图像列表就可以完成同样的均匀采样任务。

步骤如下：


首先对原始的图像列表，按照标签顺序进行排序；然后计算每个类别的样本数量，并得到样本最多的那个类别的样本数。根据这个最多的样本数，对每类随机都产生一个随机排列的列表；然后用每个类别的列表中的数对各自类别的样本数求余，得到一个索引值，从该类的图像中提取图像，生成该类的图像随机列表；然后把所有类别的随机列表连在一起，做个Random
Shuffling，得到最后的图像列表，用这个列表进行训练。每个列表，到达最后一张图像的时候，然后再重新做一遍这些步骤，得到一个新的列表，接着训练。Label
Shuffling方法的优点在于，只需要原始图像列表，所有操作都是在内存中在线完成，非常易于实现。

用一幅图片可以生动地展示这个过程


实现的代码如下：
import random category=80 f=open('scene_train_20170904.txt') #按照label从小到大排序
#f=open('scene_validation_20170908.txt') dicts={} for line in f:
line=line.strip('\n') image=line.split()[0] label=int(line.split()[-1])
dicts[image]=label dicts=sorted(dicts.items(),key=lambda item:item[1])
f.close() counts={}#统计每一类label的数目 new_dicts=[] for i in range(category):
counts[i]=0 for line in dicts: line=list(line) line.append(counts[line[1]])
#print line counts[line[1]]+=1 new_dicts.append(line) #print counts #for line
in new_dicts: # print line tab=[] #把原列表按照每一类分成各个block并形成新列表 origin_index=0 for i
in range(category): block = [] for j in range(counts[i]):
block.append(new_dicts[origin_index]) origin_index+=1 #print block
tab.append(block)#print tab nums=[] #找到数目最多的label类别 for key in counts:
nums.append(counts[key]) nums.sort(reverse=True) #print nums lists=[]
#形成随机label序列 for i in range(nums[0]): lists.append(i) #print lists all_index=[]
for i in range(category): random.shuffle(lists) #print lists
lists_res=[j%counts[i]for j in lists] all_index.append(lists_res) #print
lists_res #print all_index #f=open('train_shuffle_labels.txt','w')
#按照随机序列提取图像生成最后的标签 #f=open('val_shuffle_labels.txt','w') f=open(
'train_shuffle_labels.lst','w') #f=open('val_shuffle_labels.lst','w')
shuffle_labels=[] index=0 for line in all_index: for i in line:
shuffle_labels.append(tab[index][i]) index+=1 #print shuffle_labels
random.shuffle(shuffle_labels) id=0 for line in shuffle_labels: #print line
#f.write(line[0]+' '+str(line[1])) f.write(str(id)+'\t'+str(line[1])+'\t'+line[0
]) f.write('\n') id+=1 f.close()
另外我觉得单纯地复制粘贴会不会有用呢

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