7.3 图像预处理
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2023-12-01
ImageDataGenerator 类
keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator(featurewise_center=False,
samplewise_center=False,
featurewise_std_normalization=False,
samplewise_std_normalization=False,
zca_whitening=False,
zca_epsilon=1e-06,
rotation_range=0,
width_shift_range=0.0,
height_shift_range=0.0,
brightness_range=None,
shear_range=0.0,
zoom_range=0.0,
channel_shift_range=0.0,
fill_mode='nearest',
cval=0.0,
horizontal_flip=False,
vertical_flip=False,
rescale=None,
preprocessing_function=None,
data_format='channels_last',
validation_split=0.0,
interpolation_order=1,
dtype='float32')
通过实时数据增强生成张量图像数据批次。数据将不断循环（按批次）。
参数
- featurewise_center: 布尔值。将输入数据的均值设置为 0，逐特征进行。
- samplewise_center: 布尔值。将每个样本的均值设置为 0。
- featurewise_std_normalization: Boolean. 布尔值。将输入除以数据标准差，逐特征进行。
- samplewise_std_normalization: 布尔值。将每个输入除以其标准差。
- zca_epsilon: ZCA 白化的 epsilon 值，默认为 1e-6。
- zca_whitening: 布尔值。是否应用 ZCA 白化。
- rotation_range: 整数。随机旋转的度数范围。
- width_shift_range: 浮点数、一维数组或整数
- float: 如果 =1，则为像素值。
- 1-D 数组: 数组中的随机元素。
- int: 来自间隔
(-width_shift_range, +width_shift_range)之间的整数个像素。 width_shift_range=2时，可能值是整数[-1, 0, +1]，与width_shift_range=[-1, 0, +1]相同；而width_shift_range=1.0时，可能值是[-1.0, +1.0)之间的浮点数。
- height_shift_range: 浮点数、一维数组或整数
- float: 如果 =1，则为像素值。
- 1-D array-like: 数组中的随机元素。
- int: 来自间隔
(-height_shift_range, +height_shift_range)之间的整数个像素。 height_shift_range=2时，可能值是整数[-1, 0, +1]，与height_shift_range=[-1, 0, +1]相同；而height_shift_range=1.0时，可能值是[-1.0, +1.0)之间的浮点数。
- brightness_range: 两个浮点数的元组或列表。从中选择亮度偏移值的范围。
- shear_range: 浮点数。剪切强度（以弧度逆时针方向剪切角度）。
- zoom_range: 浮点数 或
[lower, upper]。随机缩放范围。如果是浮点数，[lower, upper] = [1-zoom_range, 1+zoom_range]。 - channel_shift_range: 浮点数。随机通道转换的范围。
- fill_mode: {"constant", "nearest", "reflect" or "wrap"} 之一。默认为 'nearest'。输入边界以外的点根据给定的模式填充：
- 'constant': kkkkkkkk|abcd|kkkkkkkk (cval=k)
- 'nearest': aaaaaaaa|abcd|dddddddd
- 'reflect': abcddcba|abcd|dcbaabcd
- 'wrap': abcdabcd|abcd|abcdabcd
- cval: 浮点数或整数。用于边界之外的点的值，当
fill_mode = "constant"时。 - horizontal_flip: 布尔值。随机水平翻转。
- vertical_flip: 布尔值。随机垂直翻转。
- rescale: 重缩放因子。默认为 None。如果是 None 或 0，不进行缩放，否则将数据乘以所提供的值（在应用任何其他转换之前）。
- preprocessing_function: 应用于每个输入的函数。这个函数会在任何其他改变之前运行。这个函数需要一个参数：一张图像（秩为 3 的 Numpy 张量），并且应该输出一个同尺寸的 Numpy 张量。
- data_format: 图像数据格式，{"channels_first", "channels_last"} 之一。"channels_last" 模式表示图像输入尺寸应该为
(samples, height, width, channels)，"channels_first" 模式表示输入尺寸应该为(samples, channels, height, width)。默认为 在 Keras 配置文件~/.keras/keras.json中的image_data_format值。如果你从未设置它，那它就是 "channels_last"。 - validation_split: 浮点数。Float. 保留用于验证的图像的比例（严格在0和1之间）。
- dtype: 生成数组使用的数据类型。
示例
使用 .flow(x, y) 的例子：
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = cifar10.load_data()
y_train = np_utils.to_categorical(y_train, num_classes)
y_test = np_utils.to_categorical(y_test, num_classes)
datagen = ImageDataGenerator(
featurewise_center=True,
featurewise_std_normalization=True,
rotation_range=20,
width_shift_range=0.2,
height_shift_range=0.2,
horizontal_flip=True)
# 计算特征归一化所需的数量
# （如果应用 ZCA 白化，将计算标准差，均值，主成分）
datagen.fit(x_train)
# 使用实时数据增益的批数据对模型进行拟合：
model.fit_generator(datagen.flow(x_train, y_train, batch_size=32),
steps_per_epoch=len(x_train) / 32, epochs=epochs)
# 这里有一个更 「手动」的例子
for e in range(epochs):
print('Epoch', e)
batches = 0
for x_batch, y_batch in datagen.flow(x_train, y_train, batch_size=32):
model.fit(x_batch, y_batch)
batches += 1
if batches >= len(x_train) / 32:
# 我们需要手动打破循环，
# 因为生成器会无限循环
break
使用 .flow_from_directory(directory) 的例子：
train_datagen = ImageDataGenerator(
rescale=1./255,
shear_range=0.2,
zoom_range=0.2,
horizontal_flip=True)
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)
train_generator = train_datagen.flow_from_directory(
'data/train',
target_size=(150, 150),
batch_size=32,
class_mode='binary')
validation_generator = test_datagen.flow_from_directory(
'data/validation',
target_size=(150, 150),
batch_size=32,
class_mode='binary')
model.fit_generator(
train_generator,
steps_per_epoch=2000,
epochs=50,
validation_data=validation_generator,
validation_steps=800)
同时转换图像和蒙版 (mask) 的例子。
# 创建两个相同参数的实例
data_gen_args = dict(featurewise_center=True,
featurewise_std_normalization=True,
rotation_range=90,
width_shift_range=0.1,
height_shift_range=0.1,
zoom_range=0.2)
image_datagen = ImageDataGenerator(**data_gen_args)
mask_datagen = ImageDataGenerator(**data_gen_args)
# 为 fit 和 flow 函数提供相同的种子和关键字参数
seed = 1
image_datagen.fit(images, augment=True, seed=seed)
mask_datagen.fit(masks, augment=True, seed=seed)
image_generator = image_datagen.flow_from_directory(
'data/images',
class_mode=None,
seed=seed)
mask_generator = mask_datagen.flow_from_directory(
'data/masks',
class_mode=None,
seed=seed)
# 将生成器组合成一个产生图像和蒙版（mask）的生成器
train_generator = zip(image_generator, mask_generator)
model.fit_generator(
train_generator,
steps_per_epoch=2000,
epochs=50)
使用 .flow_from_dataframe(dataframe, directory 的例子:
train_df = pandas.read_csv("./train.csv")
valid_df = pandas.read_csv("./valid.csv")
train_datagen = ImageDataGenerator(
rescale=1./255,
shear_range=0.2,
zoom_range=0.2,
horizontal_flip=True)
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)
train_generator = train_datagen.flow_from_dataframe(
dataframe=train_df,
directory='data/train',
x_col="filename",
y_col="class",
target_size=(150, 150),
batch_size=32,
class_mode='binary')
validation_generator = test_datagen.flow_from_dataframe(
dataframe=valid_df,
directory='data/validation',
x_col="filename",
y_col="class",
target_size=(150, 150),
batch_size=32,
class_mode='binary')
model.fit_generator(
train_generator,
steps_per_epoch=2000,
epochs=50,
validation_data=validation_generator,
validation_steps=800)
ImageDataGenerator 类方法
apply_transform
apply_transform(x, transform_parameters)
根据给定的参数将变换应用于图像。
参数
- x: 3D 张量，单张图像。
- transform_parameters: 字符串 - 参数 对表示的字典，用于描述转换。目前，使用字典中的以下参数：
- 'theta': 浮点数。旋转角度（度）。
- 'tx': 浮点数。在 x 方向上移动。
- 'ty': 浮点数。在 y 方向上移动。
- shear': 浮点数。剪切角度（度）。
- 'zx': 浮点数。放大 x 方向。
- 'zy': 浮点数。放大 y 方向。
- 'flip_horizontal': 布尔 值。水平翻转。
- 'flip_vertical': 布尔值。垂直翻转。
- 'channel_shift_intencity': 浮点数。频道转换强度。
- 'brightness': 浮点数。亮度转换强度。
返回
输入的转换后版本（相同尺寸）。
fit
fit(x, augment=False, rounds=1, seed=None)
将数据生成器用于某些示例数据。
它基于一组样本数据，计算与数据转换相关的内部数据统计。
当且仅当 featurewise_center 或 featurewise_std_normalization 或 zca_whitening 设置为 True 时才需要。
参数
- x: 样本数据。秩应该为 4。对于灰度数据，通道轴的值应该为 1；对于 RGB 数据，值应该为 3；对于 RGBA 数据，值应该为 4。
- augment: 布尔值（默认为 False）。是否使用随机样本扩张。
- rounds: 整数（默认为 1）。如果数据数据增强（
augment=True），表明在数据上进行多少次增强。 - seed: 整数（默认 None）。随机种子。
flow
flow(x, y=None, batch_size=32, shuffle=True, sample_weight=None, seed=None, save_to_dir=None, save_prefix='', save_format='png', subset=None)
采集数据和标签数组，生成批量增强数据。
参数
- x: 输入数据。秩为 4 的 Numpy 矩阵或元组。如果是元组，第一个元素应该包含图像，第二个元素是另一个 Numpy 数组或一列 Numpy 数组，它们不经过任何修改就传递给输出。可用于将模型杂项数据与图像一起输入。对于灰度数据，图像数组的通道轴的值应该为 1；对于 RGB 数据，其值应该为 3；对于 RGBA 数据，值应该为 4。
- y: 标签。
- batch_size: 整数 (默认为 32)。
- shuffle: 布尔值 (默认为 True)。
- sample_weight: 样本权重。
- seed: 整数（默认为 None）。
- save_to_dir: None 或 字符串（默认为 None）。这使您可以选择指定要保存的正在生成的增强图片的目录（用于可视化您正在执行的操作）。
- save_prefix: 字符串（默认
''）。保存图片的文件名前缀（仅当save_to_dir设置时可用）。 - save_format: "png", "jpeg" 之一（仅当
save_to_dir设置时可用）。默认："png"。 - subset: 数据子集 ("training" 或 "validation")，如果 在
ImageDataGenerator中设置了validation_split。
返回
一个生成元组 (x, y) 的 Iterator，其中 x 是图像数据的 Numpy 数组（在单张图像输入时），或 Numpy 数组列表（在额外多个输入时），y 是对应的标签的 Numpy 数组。如果 'sample_weight' 不是 None，生成的元组形式为 (x, y, sample_weight)。如果 y 是 None, 只有 Numpy 数组 x 被返回。
flow_from_dataframe
flow_from_dataframe(dataframe, directory=None, x_col='filename', y_col='class', weight_col=None, target_size=(256, 256), color_mode='rgb', classes=None, class_mode='categorical', batch_size=32, shuffle=True, seed=None, save_to_dir=None, save_prefix='', save_format='png', subset=None, interpolation='nearest', validate_filenames=True)
输入 dataframe 和目录的路径，并生成批量的增强/标准化的数据。
这里有一个简单的教程： http://bit.ly/keras_flow_from_dataframe
参数
dataframe: Pandas dataframe，其中一列字符串包含对应目录（或绝对路径，如果
directory为 None）的图片文件路径。 它应该根据class_mode来包含其他列：- 如果
class_mode是"categorical"(默认值)，它必须包含y_col列表示每张图片的类别。 这一列的值可以是字符串/列表/元组，如果是一个单独的类，或者是列表/元组，如果是多个类。 - 如果
class_mode是"binary"或"sparse"，它必须包含给定的y_col列表示每张图片的字符串类别。 - 如果
class_mode是"raw"或"multi_output"，它必须包含y_col中指定的列。 - 如果
class_mode是"input"或None，则不需要额外的列。
- 如果
directory: 字符串，读取图片的目录的路径，如果是
None,x_col列中的数据必须是绝对路径。- x_col: 字符串，
dataframe中包含文件名列（或者绝对路径，如果directory是None）。 - y_col: 字符串或字符串列表，
dataframe中将作为目标数据的列。 - weight_col: 字符串，
dataframe中包含样本权重的列。默认为None。 - target_size: 整数元组
(height, width)，默认为(256, 256)。所有找到的图都会调整到这个维度。 - color_mode: "grayscale", "rbg", "rgba" 之一。默认："rgb"。 图像是否转换为 1 个或 3 个颜色通道。
- classes: 可选的类别列表 (例如，
['dogs', 'cats'])。默认：None。 如未提供，类比列表将自动从y_col中推理出来，y_col将会被映射为类别索引）。 包含从类名到类索引的映射的字典可以通过属性class_indices获得。 - class_mode: "binary", "categorical", "input", "multi_output", "raw", sparse" 或 None 之一。默认："categorical"。 决定返回标签数组的类型：
"binary": 1D numpy 数组二进制标签；"categorical": 2D numpy 数组 one-hot 编码标签，支持多标签输出；"input": 与输入图像相同的图像（主要用于与自动编码器一起使用）；"multi_output": 不同列的值的列表；"raw":y_col列中值的 numpy 数组；"sparse": 1D numpy 数组整数标签；"other"将是 y_col 数据的 numpy 数组；None: 不返回任何标签（生成器只会产生批量的图像数据，这对使用model.predict_generator(),model.evaluate_generator()等很有用）。
- batch_size: 批量数据的尺寸（默认：32）。
- shuffle: 是否混洗数据（默认：True）
- seed: 可选的混洗和转换的随即种子。
- save_to_dir: None 或 str (默认: None). 这允许你可选地指定要保存正在生成的增强图片的目录（用于可视化您正在执行的操作）。
- save_prefix: 字符串。保存图片的文件名前缀（仅当
save_to_dir设置时可用）。 - save_format: "png", "jpeg" 之一（仅当
save_to_dir设置时可用）。默认："png"。 - follow_links: 是否跟随类子目录中的符号链接（默认：False）。
- subset: 数据子集 (
"training"或"validation")，如果在ImageDataGenerator中设置了validation_split。 - interpolation: 在目标大小与加载图像的大小不同时，用于重新采样图像的插值方法。 支持的方法有
"nearest","bilinear", and"bicubic"。 如果安装了 1.1.3 以上版本的 PIL 的话，同样支持"lanczos"。 如果安装了 3.4.0 以上版本的 PIL 的话，同样支持"box"和"hamming"。 默认情况下，使用"nearest"。 - validate_filenames: 布尔值，是否验证
x_col中的图片路径。 如果True，将忽略无效的图片。禁用这一选项会加速这一函数的执行。 默认：True。
Returns
一个生成 (x, y) 元组的 DataFrameIterator， 其中 x 是一个包含一批尺寸为 (batch_size, *target_size, channels) 的图像样本的 numpy 数组，y 是对应的标签的 numpy 数组。
flow_from_directory
flow_from_directory(directory, target_size=(256, 256), color_mode='rgb', classes=None, class_mode='categorical', batch_size=32, shuffle=True, seed=None, save_to_dir=None, save_prefix='', save_format='png', follow_links=False, subset=None, interpolation='nearest')
参数
- directory: 字符串，目标目录的路径。每个类应该包含一个子目录。任何在子目录树下的 PNG, JPG, BMP, PPM 或 TIF 图像，都将被包含在生成器中。更多细节，详见此脚本。
- target_size: 整数元组
(height, width)，默认：(256, 256)。所有的图像将被调整到的尺寸。 - color_mode: "grayscale", "rbg", "rgba" 之一。默认："rgb"。图像是否被转换成 1，3 或 4 个颜色通道。
- classes: 可选的类的子目录列表（例如
['dogs', 'cats']）。默认：None。如果未提供，类的列表将自动从directory下的 子目录名称/结构 中推断出来，其中每个子目录都将被作为不同的类（类名将按字典序映射到标签的索引）。包含从类名到类索引的映射的字典可以通过class_indices属性获得。 - class_mode: "categorical", "binary", "sparse", "input" 或 None 之一。默认："categorical"。决定返回的标签数组的类型：
- "categorical" 将是 2D one-hot 编码标签，
- "binary" 将是 1D 二进制标签，"sparse" 将是 1D 整数标签，
- "input" 将是与输入图像相同的图像（主要用于自动编码器）。
- 如果为 None，不返回标签（生成器将只产生批量的图像数据，对于
model.predict_generator(),model.evaluate_generator()等很有用）。请注意，如果class_mode为 None，那么数据仍然需要驻留在directory的子目录中才能正常工作。
- batch_size: 一批数据的大小（默认 32）。
- shuffle: 是否混洗数据（默认 True）。
- seed: 可选随机种子，用于混洗和转换。
- save_to_dir: None 或 字符串（默认 None）。这使你可以最佳地指定正在生成的增强图片要保存的目录（用于可视化你在做什么）。
- save_prefix: 字符串。 保存图片的文件名前缀（仅当
save_to_dir设置时可用）。 - save_format: "png", "jpeg" 之一（仅当
save_to_dir设置时可用）。默认："png"。 - follow_links: 是否跟踪类子目录中的符号链接（默认为 False）。
- subset: 数据子集 ("training" 或 "validation")，如果 在
ImageDataGenerator中设置了validation_split。 - interpolation: 在目标大小与加载图像的大小不同时，用于重新采样图像的插值方法。 支持的方法有
"nearest","bilinear", and"bicubic"。 如果安装了 1.1.3 以上版本的 PIL 的话，同样支持"lanczos"。 如果安装了 3.4.0 以上版本的 PIL 的话，同样支持"box"和"hamming"。 默认情况下，使用"nearest"。
返回
一个生成 (x, y) 元组的 DirectoryIterator，其中 x 是一个包含一批尺寸为 (batch_size, *target_size, channels)的图像的 Numpy 数组，y 是对应标签的 Numpy 数组。
get_random_transform
get_random_transform(img_shape, seed=None)
为转换生成随机参数。
参数
- seed: 随机种子
- img_shape: 整数元组。被转换的图像的尺寸。
返回
包含随机选择的描述变换的参数的字典。
random_transform
random_transform(x, seed=None)
将随机变换应用于图像。
参数
- x: 3D 张量，单张图像。
- seed: 随机种子。
返回
输入的随机转换版本（相同形状）。
standardize
standardize(x)
将标准化配置应用于一批输入。
由于该函数主要在内部用于对图像进行标准化处理并将其馈送到网络，所以 x 会就地更改。 如果要创建 x 的副本，则会带来很大的性能成本。 如果要应用此方法而不更改就地输入，则可以在这之前调用创建副本的方法：
standarize(np.copy(x))
参数
- x: 需要标准化的一批输入。
返回
标准化后的输入。