TensorFlow2实战-系列教程4：数据增强：keras工具包/Data Augmentation

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本篇文章的代码运行界面均在Jupyter Notebook中进行
本篇文章配套的代码资源已经上传

对于图像数据，将其进行翻转、放缩、平移、旋转操作就可以得到一组新的数据：

1、展示输入输出

python 复制代码

import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image
%matplotlib inline
from keras.preprocessing import image
import keras.backend as K
import os
import glob
import numpy as np
def print_result(path):
    name_list = glob.glob(path)
    fig = plt.figure(figsize=(12,16))
    for i in range(3):
        img = Image.open(name_list[i])
        sub_img = fig.add_subplot(131+i)
        sub_img.imshow(img)
img_path = './img/superman/*'
in_path = './img/'
out_path = './output/'
name_list = glob.glob(img_path)
print(name_list)
print_result(img_path)

img_path 就是存放3张图像数据的路径，in_path 、out_path 暂时没用到
name_list 查看一下三张数据的路径字符信息
print_result就是一个专门用来打印3张图像的函数

打印结果：

['./img/superman\00000008.jpg',

'./img/superman\00000009.jpg',

'./img/superman\00000010.jpg']

2、调整图像大小

python 复制代码

datagen = image.ImageDataGenerator()
gen_data = datagen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, shuffle=False,  save_to_dir=out_path+'resize',
                                  save_prefix='gen', target_size=(224, 224))

创建一个数据增强的实例
指定参数加载图像数据
save_to_dir=out_path+'resize'，用到了前面的输出路径
指定了target_size参数后图像都会被重置成这个尺寸

python 复制代码

for i in range(3):
    gen_data.next()
print_result(out_path+'resize/*')

从数据生成器中获取数据，将图像打印出来

打印结果：

3、旋转图像

python 复制代码

datagen = image.ImageDataGenerator(rotation_range=45)
gen = image.ImageDataGenerator()
data = gen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, class_mode=None, shuffle=True, target_size=(224, 224))
np_data = np.concatenate([data.next() for i in range(data.n)])
datagen.fit(np_data)
gen_data = datagen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, shuffle=False, save_to_dir=out_path+'rotation_range',save_prefix='gen', target_size=(224, 224))
for i in range(3):
    gen_data.next()
print_result(out_path+'rotation_range/*')

创建一个旋转的数据增强实例，
创建一个数据增强实例，实际上就是直接加载数据
将加载的图像数据重置尺寸
将重置尺寸的图像转换成ndarray格式
将旋转数据增强应用到重置尺寸的图像数据中
使用数据增强生成器重新从目录加载数据
保存加载的数据
使用for循环：
生成并处理三个图像，由于设置了 save_to_dir，这些图像将被保存。
打印三个图像

打印结果：

Found 3 images belonging to 1 classes.

Found 3 images belonging to 1 classes.

4、平移变换

python 复制代码

datagen = image.ImageDataGenerator(width_shift_range=0.3,height_shift_range=0.3)
gen = image.ImageDataGenerator()
data = gen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, class_mode=None, shuffle=True, target_size=(224, 224))
np_data = np.concatenate([data.next() for i in range(data.n)])
datagen.fit(np_data)
gen_data = datagen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, shuffle=False, save_to_dir=out_path+'shift',save_prefix='gen', target_size=(224, 224))
for i in range(3):
    gen_data.next()
print_result(out_path+'shift/*')

与3中不同的是，这段代码是进行平移变换进行数据增强，指定了平移变换的参数，width_shift_range=0.3，height_shift_range=0.3，这两个参数分别表示会在水平方向和垂直方向±30%的范围内随机移动

打印结果：

Found 3 images belonging to 1 classes.

Found 3 images belonging to 1 classes.

python 复制代码

datagen = image.ImageDataGenerator(width_shift_range=-0.3,height_shift_range=0.3)
gen = image.ImageDataGenerator()
data = gen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, class_mode=None, shuffle=True, target_size=(224, 224))
np_data = np.concatenate([data.next() for i in range(data.n)])
datagen.fit(np_data)
gen_data = datagen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, shuffle=False, save_to_dir=out_path+'shift2',save_prefix='gen', target_size=(224, 224))
for i in range(3):
    gen_data.next()
print_result(out_path+'shift2/*')

由于是随机的，这两段代码完全一样，但是结果却不同

打印结果：

Found 3 images belonging to 1 classes.

Found 3 images belonging to 1 classes.

5、缩放

python 复制代码

datagen = image.ImageDataGenerator(zoom_range=0.5)
gen = image.ImageDataGenerator()
data = gen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, class_mode=None, shuffle=True, target_size=(224, 224))
np_data = np.concatenate([data.next() for i in range(data.n)])
datagen.fit(np_data)
gen_data = datagen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, shuffle=False, save_to_dir=out_path+'zoom',save_prefix='gen', target_size=(224, 224))
for i in range(3):
    gen_data.next()
print_result(out_path+'zoom/*')

这段代码与3中不同的就是，这里指定缩放参数来进行缩放数据增强

打印结果：

Found 3 images belonging to 1 classes.

Found 3 images belonging to 1 classes.

6、channel_shift

python 复制代码

datagen = image.ImageDataGenerator(channel_shift_range=15)
gen = image.ImageDataGenerator()
data = gen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, class_mode=None, shuffle=True, target_size=(224, 224))
np_data = np.concatenate([data.next() for i in range(data.n)])
datagen.fit(np_data)
gen_data = datagen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, shuffle=False, save_to_dir=out_path+'channel',save_prefix='gen', target_size=(224, 224))
for i in range(3):
    gen_data.next()
print_result(out_path+'channel/*')

这段代码与3中不同的就是，这里指定通道偏移参数来进行通道偏移数据增强

打印结果：

Found 3 images belonging to 1 classes.

Found 3 images belonging to 1 classes.

7、水平翻转

python 复制代码

datagen = image.ImageDataGenerator(horizontal_flip=True)
gen = image.ImageDataGenerator()
data = gen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, class_mode=None, shuffle=True, target_size=(224, 224))
np_data = np.concatenate([data.next() for i in range(data.n)])
datagen.fit(np_data)
gen_data = datagen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, shuffle=False, save_to_dir=out_path+'horizontal',save_prefix='gen', target_size=(224, 224))
for i in range(3):
    gen_data.next()
print_result(out_path+'horizontal/*')

这段代码与3中不同的就是，这里指定水平翻转参数来进行水平翻转数据增强

8、rescale重新缩放

python 复制代码

datagen = image.ImageDataGenerator(rescale= 1/255)
gen = image.ImageDataGenerator()
data = gen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, class_mode=None, shuffle=True, target_size=(224, 224))
np_data = np.concatenate([data.next() for i in range(data.n)])
datagen.fit(np_data)
gen_data = datagen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, shuffle=False, save_to_dir=out_path+'rescale',save_prefix='gen', target_size=(224, 224))
for i in range(3):
    gen_data.next()
print_result(out_path+'rescale/*')

这段代码与3中不同的就是，这里指定rescale重新缩放参数来进行rescale重新缩放数据增强

通常用于归一化图像数据。将图像像素值从 $0, 255$ 缩放到 $0, 1$ 范围，有助于模型的训练

9、填充方法

'constant': kkkkkkkk|abcd|kkkkkkkk (cval=k)
'nearest': aaaaaaaa|abcd|dddddddd
'reflect': abcddcba|abcd|dcbaabcd
'wrap': abcdabcd|abcd|abcdabcd

python 复制代码

datagen = image.ImageDataGenerator(fill_mode='wrap', zoom_range=[4, 4])
gen = image.ImageDataGenerator()
data = gen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, class_mode=None, shuffle=True, target_size=(224, 224))
np_data = np.concatenate([data.next() for i in range(data.n)])
datagen.fit(np_data)
gen_data = datagen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, shuffle=False, save_to_dir=out_path+'fill_mode',save_prefix='gen', target_size=(224, 224))
for i in range(3):
    gen_data.next()
print_result(out_path+'fill_mode/*')

fill_mode='wrap'：当应用几何变换后，图像中可能会出现一些新的空白区域。fill_mode 定义了如何填充这些空白区域。在这种情况下，使用 'wrap' 模式，意味着空白区域将用图像边缘的像素"包裹"填充。
zoom_range=[4, 4]：这设置了图像缩放的范围。在这里，它被设置为在 4 倍范围内进行随机缩放。由于最小和最大缩放因子相同，这将导致所有图像都被放大 4 倍

用原图像填充，任何超出原始图像边界的区域将被图像的对边界像素填充

python 复制代码

datagen = image.ImageDataGenerator(fill_mode='nearest', zoom_range=[4, 4])
gen = image.ImageDataGenerator()
data = gen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, class_mode=None, shuffle=True, target_size=(224, 224))
np_data = np.concatenate([data.next() for i in range(data.n)])
datagen.fit(np_data)
gen_data = datagen.flow_from_directory(in_path, batch_size=1, shuffle=False, save_to_dir=out_path+'nearest',save_prefix='gen', target_size=(224, 224))
for i in range(3):
    gen_data.next()
print_result(out_path+'nearest/*')

使用最近点填充，每个空白区域的像素将取其最近的非空白区域的像素值

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1、展示输入输出

2、调整图像大小

3、旋转图像

4、平移变换

5、缩放

6、channel_shift

7、水平翻转

8、rescale重新缩放

9、填充方法

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