计算机视觉中的数据增强
在实际工作中有很大一个难题就是收集到足够的数据，而数据就像是燃料，没有足够的数据训练的模型效果不会太好。所以要保证完美完成任务，有两件事必须要做好：
- 寻找更多的数据
- 充分利用已有的数据进行数据增强
本文就来聊聊数据增强的话题。
覆盖主流数据增强算法
https://github.com/aleju/imgaug
数据增强注意事项：
- 在线使用，不要离线生产样本
- 不要过度使用，过多的数据增强可能增加训练难度和事件
- 有些任务某些增强不能做，比如姿态估计中随机反转，旋转
为什么要了解数据增强
Q: 多少数据才能满足项目要求？
- 任务类型有关，越精细任务要求越多（分类 > 检测 > 分割）
- 任务难度 ImageNet（每个类约500个），Place365（每个类约5000个）
- 精度要求有关（学术任务，工业级产品）
Q: 数据增强和泛化能力的关系？
增强模型泛化能力的方法：
- 显示正则化（模型集成，参数正则化等）
- 隐式正则化（数据增强，随机梯度下降等）
Q: 什么是数据增强？
数据增强也叫数据扩增，意思是在不实质性的增加数据的情况下，让有限的数据产生等价于更多数据的价值。
eg. 分辨率大小为 256x256 的图像，随机裁剪成 224x224 的代销，一张图就可以产生 32x32 张不同的图，数据量将近扩充 1000 倍。
Q: 通过裁剪得到的很多图像相似度很高，那么这样的数据增强有效果么？
操作虽然简单，但是有效果，如果辅助其他数据增强的方法，将获得更好的多样性，这就是数据增强的本质。
常见数据增强的方法
单样本几何变换
翻转，旋转，裁剪，缩放
没有改变图像本身的内容，选择了图像的一部分或者像素的空间重分布
单样本像素内容变换
噪声，模糊，颜色扰动
内容改动大，多样性强
多样本插值 SMOT
Synthetic Minority Over-sampling Technique 方法，近邻样本(Xn,Yn)插值
Sample Pairing
随机抽取两张图片分别经过基础数据增强操作（如随机翻转等）处理后，直接叠加合成一个新的样本，标签为原样本标签中的一种
多样本插值 Mixup
ICLR2018, Facebook 的研究 Mixup，图像和标签都进行线性插值
自动选择数据增强方法
学习已有数据增强操作的组合，不同的任务，需要不同的数据增强操作。
AutoAugmentation 原理
- 从 16 个常用数据增强操作中选择 5 个操作，随机产生使用该操作的概率和相应的幅度，将其称为一个 sub-policy，一共产生 5 个 sub-polices
- 对训练过程中每一个 batch 的图片，随机采用 5 个 sub-polices 操作中的一种
- 通过模型在验证集上的泛化能力来反馈，使用的优化方法是增强学习方法
- 经过 80~100 个 epoch 后网络开始学习到有效的 sub-policies
- 之后串接这 5 个 sub-policies，然后再进行最后的训练
从零制作新的样本
使用生成对抗网络，生成新的样本。
开源框架中的数据增强
- caffe 中数据增强：
- caffe.proto 中增加参数
- Datatransform 中 .cpp 函数实现
- Datatransform 中 .cpp 函数调用
- train.prototxt 中网络配置
- 在 caffe.proto 中增加参数
- TensorFlow 数据增强 —— tf.image API
- pytorch 数据增强 —— torchvision.transforms API
- mxnet 数据增强 —— mxnet.image API
参考文献
[1] Chawla N V, Bowyer K W, Hall L O, et al. SMOTE: synthetic minority over-sampling technique[J]. Journal of Artificial Intelligence Research, 2002, 16(1):321-357.
[2] Inoue H. Data Augmentation by Pairing Samples for Images Classification[J]. 2018.
[3] Zhang H, Cisse M, Dauphin Y N, et al. mixup: Beyond Empirical Risk Minimization[J]. 2017.
[4] Goodfellow I J, Pouget-Abadie J, Mirza M, et al. Generative Adversarial Networks[J]. Advances in Neural Information Processing Systems, 2014, 3:2672-2680.
[5] Cubuk E D, Zoph B, Mane D, et al. AutoAugment: Learning Augmentation Policies from Data.[J]. arXiv: Computer Vision and Pattern Recognition, 2018.
