Python深度学习基于Tensorflow（4）Tensorflow 数据处理和数据可视化

文章目录

• • • 构建Tensorflow.data数据集
    • • TFRecord数据底层
      • 生成TFRecord文件数据
      • 读取TFRecord文件数据
      • 图像增强
    • 数据可视化

构建Tensorflow.data数据集

tf.data.Dataset表示一串元素（element），其中每个元素包含一个或多个Tensor对象。例如：在一个图像流水线（pipeline）中，一个元素可以是单个训练样本，它们带有一个表示图像数据的张量和一个标签组成的数据对（pair）。有两种不同的方式构建一个数据集，具体如下。

• 直接从 Tensor 创建数据集（例如 Dataset.from_tensor_slices()）；当然 NumPy 也是可以的，TensorFlow 会自动将其转换为 Tensor。
• 通过对一个或多个 tf.data.Dataset 对象的变换（例如 Dataset.batch()）来创建数据集。 这两类构建方法又可以进一步分为7种方法。如下所示：

数据格式	读取方法	备注
从NumPy数组读取	tf.data.Dataset.from_tensor_slices	当数据较小时
从Python Generator读取	tf.data.Dataset.from_generator
从文本数据读取	tf.data.TextLineDataset
从CSV数据读取	tf.data.experimental.CsvDataset
从TFRecord data读取	tf.data.TFRecordDataset	TFRecord 是TensorFlow中自带的，它是一种方便储存比较大的数据集的数据格式(二进制格式)，当内存不足时，我们可以将数据集制作成TFRecord格式的再将其解压读取。
从二进制文件读取数据	tf.data.FixedLengthRecordDataset
从文件集中读取数据	tf.data.Dataset.list_files()
这里除了TFRecord以外的东西都很好理解，所以这里主要讲一下TFRecord数据集；

TFRecord 是 TensorFlow 自带的一种数据格式，是一种二进制文件。它是TensorFlow 官方推荐的数据保存格式，其数据的存储、读取操作更加高效。具体来说，TFRecord的优势可概括为：

1）支持多种数据格式；

2）更好的利用内存，方便复制和移动；

3）将二进制数据和标签(label)存储在同一个文件中。
TFRecord 格式文件的存储形式会很合理地帮我们存储数据。TFRecord 内部使用了 Protocol Buffer 二进制数据编码方案，它只占用一个内存块，只需要一次性加载一个二进制文件的方式即可，简单，快速，尤其对大型训练数据很友好。当我们的训练数据量比较大的时候，TFRecord可以将数据分成多个 TFRecord 文件，以提高处理效率。
假设有一万张图像， TFRecord 可以将其保存成 5 个.tfrecords 文件（具体保存成几个文件，要看文件大小），这样我们在读取数据时，只需要进行5 次数据读取。如果把这一万张图像保存为NumPy格式数据，则需要进行10000次数据读取。 我们可以使用tf.data.TFRecordDataset类读取TFRecord文件。

TFRecord数据底层

在数据转换过程中，Example是TFReocrd的核心，TFReocrd包含一系列Example，每个Example可以认为是一个样本。Example是Tensorflow的对象类型，可通过tf.train.example来使用。 特征指的是Example中输入向量的维度，有多少个维度就有多少个特征。

TFRecord，Example，features对应关系具体如下：

生成TFRecord文件数据

这里使用cat-dag数据集，数据下载连接如下：

链接：https://pan.baidu.com/s/1e9skHjPAzy9Bfd5Z7Xl70A?pwd=zynb 
提取码：zynb 

下载之后解压到当前目录的./data文件夹，然后读取文件位置和标签，最后依次写入TFRecord中

import tensorflow as tf
import os

## 设置文件位置以及标签
data_dir = "./data/cat-dog"
train_cat_dir = data_dir + '/train/cats/'
train_dog_dir = data_dir + "/train/dogs/"

test_cat_dir = data_dir + "/test/cats/"
test_dog_dir = data_dir + "/test/dogs/"

train_cat_filenames = [train_cat_dir + filename for filename in os.listdir(train_cat_dir)]
train_dog_filenames = [train_dog_dir + filename for filename in os.listdir(train_dog_dir)]
train_filenames = train_cat_filenames + train_dog_filenames
train_labels = [0]*len(train_cat_filenames) + [1]*len(train_dog_filenames)

test_cat_filenames = [test_cat_dir + filename for filename in os.listdir(test_cat_dir)]
test_dog_filenames = [test_dog_dir + filename for filename in os.listdir(test_dog_dir)]
test_filenames = test_cat_filenames + test_dog_filenames
test_labels = [0]*len(test_cat_filenames) + [1]*len(test_dog_filenames)


## 创建生成TFRecord数据集函数
def encoder(filenames, labels, tfrecord_file):
    with tf.io.TFRecordWriter(tfrecord_file) as writer:
        for filename, label in zip(filenames, labels):
            with open(filename, 'rb') as f:
                image = f.read()
                ## 将img，label转化为向量的形式  这里只能是普通的形式，不能np和tf，所以读取图片最好是直接读取字节，虽然np.array(Image.open(filename)) 很快，但是array.tolist() 很慢，这就导致效果很慢，所以这里还是读字节最后再在读取tfrecord数据的时候，使用tf.io.decode_jpeg对图片进行解码。
                image_feature = tf.train.Feature(bytes_list=tf.train.BytesList(value=[image]))
                label_feature = tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[label]))
                
                ## 建立feature字典
                feature = {
                    'image': image_feature,
                    'label': label_feature
                }
                # 通过字典创建example，example对象对label和image数据进行封装
                example = tf.train.Example(features=tf.train.Features(feature=feature))
                # 将example序列化并写入字典
                writer.write(example.SerializeToString())

## 创建TFRecord
encoder(train_filenames, train_labels, 'train.tfrecords')
encoder(test_filenames, test_labels, 'test.tfrecords')

这里要注意的是，一共有三种类型，int64，float，bytes，只能是最原始的类型，不能np和tf

tf.train.Feature(bytes_list=tf.train.BytesList(value=[*]))
tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[*]))
tf.train.Feature(float_list=tf.train.FloatList(value=[*]))

可以看到当前目录下面有两个tfrecords文件。

读取TFRecord文件数据

def decoder(tfrecord_file, is_train_dataset=None):
    #构建dataset
    dataset = tf.data.TFRecordDataset(tfrecord_file)
    #说明特征的描述属性，为解吗每个example使用
    feature_discription = {
        'image': tf.io.FixedLenFeature([], tf.string),
        'label': tf.io.FixedLenFeature([], tf.int64)
    }

    def _parse_example(example_string): # 解码每一个example
        #将文件读入到队列中
        feature_dic = tf.io.parse_single_example(example_string, feature_discription)
        feature_dic['image'] = tf.io.decode_jpeg(feature_dic['image'])
        #对图片进行resize，属于数据处理的操作
        feature_dic['image'] = tf.image.resize(feature_dic['image'], [256, 256])/255.0
        return feature_dic['image'], feature_dic['label']

    batch_size = 4

    if is_train_dataset is not None:
        #tf.data.experimental.AUTOTUNE#根据计算机性能进行运算速度的调整
        dataset = dataset.map(_parse_example).shuffle(buffer_size=2000).batch(batch_size).prefetch(tf.data.experimental.AUTOTUNE)
    else:
        dataset = dataset.map(_parse_example)
        dataset = dataset.batch(batch_size)

    return dataset

train_data = decoder('train.tfrecords', is_train_dataset=True)
test_data = decoder('test.tfrecords')

最后得到的train_data抽取四个进行展示一下：

import matplotlib.pyplot as plt

def plot_img_label(elemtents):
    imgs, labels = elemtents
    num_imgs = labels.shape[0]
    for i in range(num_imgs):
        plt.subplot(1,num_imgs,i+1)
        plt.axis('off')
        plt.title(labels[i].numpy())
        plt.imshow(imgs[i].numpy())
    plt.show()

plot_img_label(train_data.take(1).get_single_element())

图像增强

# 解码图片 转换图片数据类型 调整图片尺寸
image = tf.image.decode_jpeg(image, channels=3)
image = tf.image.convert_image_dtype(image, dtype=tf.float32)
image = tf.image.resize(image, (156, 156))

# 对图片进行上下左右随机的翻转,调整明亮度最后旋转90度
images = tf.image.random_flip_left_right(images)
images = tf.image.random_flip_up_down(images)
images = tf.image.random_brightness(images, 1)
images = tf.image.rot90(images, 1)

数据可视化

数据可视化一般来说的库有 matplotlib，tensorboard

更多可视化操作可以看这一个专栏：数据可视化 Python_Bigcrab__的博客-CSDN博客

matplotlib 设置中文

# windows
plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False 

# mac
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['Arial Unicode MS']
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False 

tensorboard

logdir = os.path.join("logs", datetime.datetime.now().strftime("%Y%m%d-%H%M%S"))
tensorboard_callback = tf.keras.callbacks.TensorBoard(logdir, histogram_freq=1)

model.fit(x=x_train, 
		y=y_train, 
		epochs=5, 
		validation_data=(x_test, y_test), 
		callbacks=[tensorboard_callback])

在Windows的命令行启动Tensorboard 服务，指定日志读写路径，如果是linux环境，请根据实际情况，修改logdir的值。 tensorboard --logdir="C:\Users\wumg\jupyter-ipynb\tensorflow2-book\char-05\logs"

在 jupyter 中运行下列代码：

%load_ext tensorboard

%tensorboard --logdir logs

from tensorboard import notebook
notebook.list() # View open TensorBoard instances