- 🍨 本文为🔗365天深度学习训练营 中的学习记录博客
- 🍦 参考文章地址： 365天深度学习训练营-第10周：数据增强
- 🍖 作者：K同学啊
结语：
至此tensorflow-CNN相关基础项目的学习暂时告一段落，我会趁热打铁，抽空把这10个CNN项目所涉及到的所有知识点(一些tensorflow常用接口、一些CNN的理解)以及自己的一些感悟整理成一篇博客，会在后续更新。
在本教程中，你将学会如何进行数据增强，并通过数据增强用少量数据达到非常非常棒的识别准确率。 我将展示两种数据增强方式，以及如何自定义数据增强方式并将其放到我们代码当中，两种数据增强方式如下：
● 将数据增强模块嵌入model中
● 在Dataset数据集中进行数据增强
一、前期准备工作
1. 设置GPU
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
#隐藏警告
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
from tensorflow.keras import layers
import tensorflow as tf
gpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")
if gpus:
tf.config.experimental.set_memory_growth(gpus[0], True) #设置GPU显存用量按需使用
tf.config.set_visible_devices([gpus[0]],"GPU")
# 打印显卡信息，确认GPU可用
print(gpus)[PhysicalDevice(name='/physical_device:GPU:0', device_type='GPU')]
2. 加载数据
import pathlib
data_dir = "./data/" # 直接把它传入image_dataset_from_directory也可以
data_dir = pathlib.Path(data_dir)
image_count = len(list(data_dir.glob('*/*')))
print("图片总数为：",image_count)图片总数为： 3400
batch_size = 32
img_height = 224
img_width = 224train_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
data_dir,
validation_split=0.3,
subset="training",
seed=12,
image_size=(img_height, img_width),
batch_size=batch_size)Found 3400 files belonging to 2 classes. Using 2380 files for training.
val_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
data_dir,
validation_split=0.3,
subset="validation",
seed=12,
image_size=(img_height, img_width),
batch_size=batch_size)Found 3400 files belonging to 2 classes. Using 1020 files for validation.
由于原始数据集不包含测试集，因此需要创建一个。
使用 tf.data.experimental.cardinality 确定验证集中有多少批次的数据，然后将其中的 20% 移至测试集。
val_batches = tf.data.experimental.cardinality(val_ds)
test_ds = val_ds.take(val_batches // 5)
val_ds = val_ds.skip(val_batches // 5)
print('Number of validation batches: %d' % tf.data.experimental.cardinality(val_ds))
print('Number of test batches: %d' % tf.data.experimental.cardinality(test_ds))Number of validation batches: 26 Number of test batches: 6
class_names = train_ds.class_names
print(class_names)['cat', 'dog']
for image_batch, labels_batch in train_ds:
print(image_batch.shape)
print(labels_batch.shape)
break(32, 224, 224, 3) (32,)
AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE
def preprocess_image(image,label):
return (image/255.0,label)
# 归一化处理
train_ds = train_ds.map(preprocess_image, num_parallel_calls=AUTOTUNE)
val_ds = val_ds.map(preprocess_image, num_parallel_calls=AUTOTUNE)
test_ds = test_ds.map(preprocess_image, num_parallel_calls=AUTOTUNE)
train_ds = train_ds.cache().prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
val_ds = val_ds.cache().prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)plt.figure(figsize=(15, 10)) # 图形的宽为15高为10
for images, labels in train_ds.take(1):
for i in range(8):
ax = plt.subplot(5, 8, i + 1)
plt.imshow(images[i])
plt.title(class_names[labels[i]])
plt.axis("off")
二、数据增强
我们可以使用 tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomFlip 与 tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomRotation 进行数据增强
- tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomFlip：水平和垂直随机翻转每个图像。
- tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomRotation：随机旋转每个图像
data_augmentation = tf.keras.Sequential([
tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomFlip("horizontal_and_vertical"),
tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomRotation(0.2),
])第一个层表示进行随机的水平和垂直翻转，而第二个层表示按照 0.2 的弧度值进行随机旋转。
# Add the image to a batch.
image = tf.expand_dims(images[i], 0)plt.figure(figsize=(8, 8))
for i in range(9):
augmented_image = data_augmentation(image)
ax = plt.subplot(3, 3, i + 1)
plt.imshow(augmented_image[0])
plt.axis("off")
更多的数据增强方式可以参考： https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/keras/layers/RandomRotation
三、增强方式
方法一：将其嵌入model中
model = tf.keras.Sequential([
data_augmentation,
layers.Conv2D(16, 3, padding='same', activation='relu'),
layers.MaxPooling2D(),
])这样做的好处是：
- 数据增强这块的工作可以得到GPU的加速（如果你使用了GPU训练的话）
注意：只有在模型训练时（Model.fit）才会进行增强，在模型评估(Model.evaluate)以及预测(Model.predict)时并不会进行增强操作。
方法二：在Dataset数据集中进行数据增强
batch_size = 32
AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE
def prepare(ds):
ds = ds.map(lambda x, y: (data_augmentation(x, training=True), y), num_parallel_calls=AUTOTUNE)
return ds
train_ds = prepare(train_ds)四、训练模型
model = tf.keras.Sequential([
layers.Conv2D(16, 3, padding='same', activation='relu'),
layers.MaxPooling2D(),
layers.Conv2D(32, 3, padding='same', activation='relu'),
layers.MaxPooling2D(),
layers.Conv2D(64, 3, padding='same', activation='relu'),
layers.MaxPooling2D(),
layers.Flatten(),
layers.Dense(128, activation='relu'),
layers.Dense(len(class_names))
])在准备对模型进行训练之前，还需要再对其进行一些设置。以下内容是在模型的编译步骤中添加的：
- 损失函数（loss）：用于衡量模型在训练期间的准确率。
- 优化器（optimizer）：决定模型如何根据其看到的数据和自身的损失函数进行更新。
- 评价函数（metrics）：用于监控训练和测试步骤。以下示例使用了准确率，即被正确分类的图像的比率。
model.compile(optimizer='adam',
loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
metrics=['accuracy'])epochs=20
history = model.fit(
train_ds,
validation_data=val_ds,
epochs=epochs
)loss, acc = model.evaluate(test_ds)
print("Accuracy", acc)6/6 [==============================] - 1s 48ms/step - loss: 0.2655 - accuracy: 0.9271 Accuracy 0.9270833134651184
五、自定义增强函数
import random
# 这是大家可以自由发挥的一个地方
def aug_img(image):
seed = (random.randint(0,9), 0)
# 随机改变图像对比度
stateless_random_brightness = tf.image.stateless_random_contrast(image, lower=0.1, upper=1.0, seed=seed)
return stateless_random_brightnessimage = tf.expand_dims(images[3]*255, 0)
print("Min and max pixel values:", image.numpy().min(), image.numpy().max())Min and max pixel values: 0.0 255.0
plt.figure(figsize=(8, 8))
for i in range(9):
augmented_image = aug_img(image)
ax = plt.subplot(3, 3, i + 1)
plt.imshow(augmented_image[0].numpy().astype("uint8"))
plt.axis("off")
那么如何将自定义增强函数应用到我们数据上呢？
请参考上文的 preprocess_image 函数，将 aug_img 函数嵌入到 preprocess_image 函数中，在数据预处理时完成数据增强就OK啦
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