[PyTorch入门]之数据导入与处理

数据导入与处理

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在解决任何机器学习问题时，都需要在处理数据上花费大量的努力。PyTorch提供了很多工具来简化数据加载，希望使代码更具可读性。在本教程中，我们将学习如何从繁琐的数据中加载、预处理数据或增强数据。

开始本教程之前，请确认你已安装如下Python包：

• scikit-image：图像IO操作和格式转换
• pandas：更方便解析CSV

我们接下来要处理的数据集是人脸姿态。这意味着人脸的注释如下：

总之，每个面部都有68个不同标记点。

可以从这里下载数据集，并将其解压后存放到目录‘data/faces/’。

数据集来自带有面部注释的CSV文件，文件内容类似以下格式：

image_name,part_0_x,part_0_y,part_1_x,part_1_y,part_2_x, ... ,part_67_x,part_67_y
0805personali01.jpg,27,83,27,98, ... 84,134
1084239450_e76e00b7e7.jpg,70,236,71,257, ... ,128,312

接下来我们快速读取CSV文件，并从(N,2)数组中获取注释，N表示标记数量。

landmarks_frame = pd.read_csv('data/faces/face_landmarks.csv')

n = 65
img_name = landmarks_frame.iloc[n, 0]
landmarks = landmarks_frame.iloc[n, 1:].as_matrix()
landmarks = landmarks.astype('float').reshape(-1, 2)

print('Image name: {}'.format(img_name))
print('Landmarks shape: {}'.format(landmarks.shape))
print('First 4 Landmarks: {}'.format(landmarks[:4]))

输出：

Image name: person-7.jpg
Landmarks shape: (68, 2)
First 4 Landmarks: [[32. 65.]
 [33. 76.]
 [34. 86.]
 [34. 97.]]

现在我们写一个简单的帮助函数：展示图片和它的标记，用它来展示样本。

def show_landmarks(image,landmarks):
    '''
    展示带标记点的图像
    '''
    plt.imshow(image)
    plt.scatter(landmarks[:,0],landmarks[:,1],s=10,marker='.',c='r')
    plt.pause(10)

plt.figure()
show_landmarks(io.imread(os.path.join('data/faces',img_name)),landmarks)
plt.show()

数据集类（Dataset class）

torch.utils.data.Dataset是一个表示数据集的抽象类。你自定义的数据集应该继承Dataset并重写以下方法：

• len 这样len(dataset)是可以返回数据集的大小
• getitem 支持索引操作，比如dataset[i]来获取第i个样本。

现在我们来实现我们的面部标记数据集类。我们将在__init__中读取CSV，然后再__getitem__中读取图像。这样可以高效利用内存，因为所有的图像并不是都存在在内存中，而是按需读取。

我们数据集的样本是字典格式的：{'image':image,'landmarks':landmarks}。我们的数据集将采用可选参数transform，以便任何必要的处理都可以被应用在样本上。在下一节中我们会看到transform的用途。

class FaceLandmarksDataset(Dataset):
    '''
    Face Landmarks Dataset
    '''

    def __init__(self,csv_file,root_dir,transform=None):
        '''
        param csv_file(string): 带注释的CSV文件路径
        param root_dit(string): 存储图像的路径
        param transform(callable,optional): 被应用到样本的可选transform操作
        '''
        self.landmarks_frame = pd.read_csv(csv_file)
        self.root_dir = root_dir
        self.transform = transform

    def __len__(self):
        return len(self.landmarks_frame)

    def __getitem__(self,idx):
        img_name = os.path.join(self.root_dir,self.landmarks_frame.iloc[idx,0])
        image = io.imread(img_name)
        landmarks = self.landmarks_frame.iloc[idx,1:]
        landmarks = np.array([landmarks])
        landmarks = landmarks.astype('float').reshape(-1,2)
        sample = {'image':image,'landmarks':landmarks}

        if self.transform:
            sample = self.transform(sample)

        return sample

现在我们实例化这个类，并且迭代输出部分样本。我们打印输出前4个样本并展示它们的标记。

face_dataset = FaceLandmarksDataset(
    csv_file='data/faces/face_landmarks.csv', root_dir='data/faces/')

fig = plt.figure()

for i in range(len(face_dataset)):
    sample = face_dataset[i]

    print(i, sample['image'].shape, sample['landmarks'].shape)

    ax = plt.subplot(1, 4, i+1)
    plt.tight_layout()
    ax.set_title('Sample #{}'.format(i))
    ax.axis('off')
    show_landmarks(**sample)

    if i == 3:
        plt.show()
        break

输出：

0 (324, 215, 3) (68, 2)
1 (500, 333, 3) (68, 2)
2 (250, 258, 3) (68, 2)
3 (434, 290, 3) (68, 2)

Transforms(转换)

从上面的例子可以看出这些样本的尺寸并不一致。大多数神经网络都期望图像的尺寸是固定的。这样的话，我们就需要一些处理代码。接下来我们创建三个变换函数：

• Rescale：缩放图像
• RandomCrop：随机裁剪图像。这是数据扩充。
• ToTensor：将numpy图像转为torch图像（我们需要交换轴）。

我们将以类而不是简单的函数的方式来实现它们，这样就不需要在每次调用时都传递转换需要的参数。这样我们只需要实现__call__方法，需要的话还可以实现__init__方法。然后我们可以按如下的方式使用：

tsfm = Transform(params)
transformed_sample = tsfm(sample)

下面展示如何将这些转换同时应用在图像和标记点。

class Rescale(object):
    '''
    按给定的尺寸缩放图像  

    param output_size (tuple or int): 目标输出尺寸。如果是tuple，输出为匹配的输出尺寸；如果是int，则匹配较小的图像边缘，保证相同的长宽比例。
    '''

    def __init__(self, output_size):
        assert isinstance(output_size, (int, tuple))
        self.output_size = output_size

    def __call__(self, sample):
        image, landmarks = sample['image'], sample['landmarks']

        h, w = image.shape[:2]
        if isinstance(self.output_size, int):
            if h > w:
                new_h, new_w = self.output_size*h/w, self.output_size
            else:
                new_h, new_w = self.output_size, self.output_size*w/h
        else:
            new_h, new_w = self.output_size

        new_h, new_w = int(new_h), int(new_w)

        img = transform.resize(image, (new_h, new_w))

        landmarks = landmarks*[new_w/w, new_h/h]
        return {'image': img, 'landmarks': landmarks}


class RandomCrop(object):
    '''
    随机裁剪图像

    param output_size (tuple or int): 目标输出尺寸。如果是int，正方形裁剪
    '''

    def __init__(self, output_size):
        assert isinstance(output_size, (int, tuple))

        if isinstance(output_size, int):
            self.output_size = (output_size, output_size)
        else:
            assert len(output_size) == 2
            self.output_size = output_size

    def __call__(self, sample):
        image, landmarks = sample['image'], sample['landmarks']

        h, w = image.shape[:2]
        new_h, new_w = self.output_size

        top = np.random.randint(0, h-new_h)
        left = np.random.randint(0, w-new_w)

        image = image[top:top+new_h, left:left+new_w]

        landmarks = landmarks - [left, top]

        return {'image': image, 'landmarks': landmarks}


class ToTensor(object):
    '''
    将ndarrays格式样本转换为Tensors
    '''

    def __call__(self, sample):
        image, landmarks = sample['image'], sample['landmarks']

        image = image.transpose((2, 0, 1))
        return {'image': torch.from_numpy(image), 'landmarks': torch.from_numpy(landmarks)}

组合变换

现在，我们在样本上应用转换。

比如我们想将图片的短边缩放为256然后在随机裁剪出一个224的正方形，那么我们将用到Rescale和RandomCrop。torchvision.transforms.Compost可以帮助我们完成上述组合操作。

scale = Rescale(256)
crop = RandomCrop(128)
composed = transforms.Compose([Rescale(256), RandomCrop(224)])

fig = plt.figure()
sample = face_dataset[65]
for i, tsfrm in enumerate([scale, crop, composed]):
    transformed_sample = tsfrm(sample)

    ax = plt.subplot(1, 3, i+1)
    plt.tight_layout()
    ax.set_title(type(tsfrm).__name__)
    show_landmarks(**transformed_sample)
plt.show()

遍历数据集

接下来我们将上面的代码整合起来，创建一个带有组合变换的数据集。综上所述，每次采样该数据集时：

• 从文件中动态读取图像
• 转换应用到读取的图像上
• 由于其中一种转换是随机的，因此数据在抽样时得到了扩充

我们可以是像之前一样用for i in range循环遍历创建的数据集：

transformed_dataset = FaceLandmarksDataset(
    csv_file='data/faces/face_landmarks.csv',
    root_dir='data/faces/',
    transform=transforms.Compose([Rescale(256), RandomCrop(224), ToTensor()])
)

for i in range(len(transformed_dataset)):
    sample = transformed_dataset[i]

    print(i, sample['image'].size(), sample['landmarks'].size())

    if i == 3:
        break

输出：

0 torch.Size([3, 224, 224]) torch.Size([68, 2])
1 torch.Size([3, 224, 224]) torch.Size([68, 2])
2 torch.Size([3, 224, 224]) torch.Size([68, 2])
3 torch.Size([3, 224, 224]) torch.Size([68, 2])

然而，只是使用建档的for训练遍历数据，我们将丢失很多特征。尤其是我们丢失了：

• 批量处理数据
• 移动数据
• 使用multiprocessing并行加载数据

torch.utils.data.DataLoader是一个提供了所有这些功能的迭代器。接下来使用的参数是明朗的。一个有趣的参数是collate_fn。你可以使用collate_fn指定需要如何对样本进行批量处理。然而，默认的collate足够胜任大多数使用场景。

dataloader = DataLoader(transformed_dataset, batch_size=4,
                        shuffle=True, num_workers=4)


def show_landmarks_batch(sample_batched):
    '''
    批量展示样本
    '''
    images_batch, landmarks_batch = sample_batched['image'], sample_batched['landmarks']
    batch_size = len(sample_batched)
    im_size = images_batch.size(2)
    grid_border_size = 2

    grid = utils.make_grid(images_batch)
    plt.imshow(grid.numpy().transpose((1, 2, 0)))

    for i in range(batch_size):
        plt.scatter(
            landmarks_batch[i, :, 0].numpy() + i * im_size +
            (i+1)*grid_border_size,
            landmarks_batch[i, :, 1].numpy() + grid_border_size,
            s=10, marker='.', c='r'
        )
        plt.title('Batch from dataloader')

for i_batch,sample_batched in enumerate(dataloader):
    print(i_batch, sample_batched['image'].size(),
          sample_batched['landmarks'].size())

    if i_batch == 3:
        plt.figure()
        show_landmarks_batch(sample_batched)
        plt.axis('off')
        plt.ioff()
        plt.show()
        break

输出：

0 torch.Size([4, 3, 224, 224]) torch.Size([4, 68, 2])
1 torch.Size([4, 3, 224, 224]) torch.Size([4, 68, 2])
2 torch.Size([4, 3, 224, 224]) torch.Size([4, 68, 2])
3 torch.Size([4, 3, 224, 224]) torch.Size([4, 68, 2])

后续：torchvision

在本教程中，我们了解了如何实现并使用数据集、转换和数据导入。torchvision包提供了一些常用的数据集和转换。你甚至可能不需要编写自定义的类。在torchvision中最常用的数据集是ImageFolder。它假设图像的组织方式如下所示：

root/ants/xxx.png
root/ants/xxy.jpeg
root/ants/xxz.png
.
.
.
root/bees/123.jpg
root/bees/nsdf3.png
root/bees/asd932_.png

‘ants’、‘bees’等等都是类的标签。在PIL.Image上操作的类似常用的转化，如RandomHorizontalFlip、Scale，都是可用的。你可以使用它们来编写想下面的数据导入：

import torch
from torchvision import transforms, datasets

data_transform = transforms.Compose([
        transforms.RandomSizedCrop(224),
        transforms.RandomHorizontalFlip(),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406],
                             std=[0.229, 0.224, 0.225])
    ])
hymenoptera_dataset = datasets.ImageFolder(root='hymenoptera_data/train',
                                           transform=data_transform)
dataset_loader = torch.utils.data.DataLoader(hymenoptera_dataset,
                                             batch_size=4, shuffle=True,
                                             num_workers=4)