数据增强：TensorFlow 方法与 torchvision.transforms

数据增强是一种普遍采用的技术，用于人工扩充你的训练数据集，并提升模型对未见过数据的泛化能力。像 TensorFlow 这样的框架经常在 tf.data 数据管道中利用 tf.image 中的函数或 Keras 预处理层来应用随机翻转、旋转和颜色调整等转换。PyTorch 通过其 torchvision.transforms 模块，为这些任务提供了类似且功能强大的工具集。

基本理念保持不变：即在训练期间即时对输入数据应用随机（或确定性）修改。这有助于你的模型对输入中的变化更具适应性，从而提高性能并减少过拟合 (overfitting)。

增强方法：TensorFlow 和 PyTorch

在 TensorFlow 中，你可能会使用以下常见方法之一应用数据增强：

1. tf.image 函数：这些函数（例如 tf.image.random_flip_left_right、tf.image.random_brightness）通常在 tf.data.Dataset.map() 调用中应用于单个图像或图像批次。
2. Keras 预处理层：诸如 tf.keras.layers.RandomFlip、tf.keras.layers.RandomRotation 和 tf.keras.layers.RandomZoom 等层可以直接集成到你的 tf.keras.Sequential 模型或 tf.data 管道中。这些层具有它们是模型图的一部分并可能在 GPU 上运行的优势。

PyTorch 将大多数常见的图像转换（包括数据增强）集中在 torchvision.transforms 模块中。这些转换通常设计用于操作 PIL (Python Imaging Library) 图像或 PyTorch 张量。

使用 torchvision.transforms

torchvision.transforms 模块提供了一系列可调用类，每个代表一个特定的转换。一种常见的做法是使用 transforms.Compose 将多个转换链式组合起来。这会创建一个单一的管道，按顺序应用每个转换。

以下是一些常用转换及其对应的 TensorFlow 功能的简要概述：

• 尺寸调整和裁剪：

  • transforms.Resize(size): 将输入图像调整为给定尺寸。类似于 tf.image.resize。
  • transforms.CenterCrop(size): 裁剪图像中心。类似于 tf.image.central_crop 或 tf.keras.layers.CenterCrop。
  • transforms.RandomCrop(size, padding=None, pad_if_needed=False, fill=0, padding_mode='constant'): 在随机位置裁剪图像。
  • transforms.RandomResizedCrop(size, scale=(0.08, 1.0), ratio=(3./4., 4./3.)): 一种常用增强方法，裁剪图像的随机部分并调整其尺寸。这对于训练图像分类模型非常有效。它与 tf.image.sample_distorted_bounding_box 结合尺寸调整的使用方式有些类似。

• 翻转：

  • transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5): 以给定概率随机水平翻转图像。类似于 tf.image.random_flip_left_right 或 tf.keras.layers.RandomFlip("horizontal")。
  • transforms.RandomVerticalFlip(p=0.5): 随机垂直翻转图像。类似于 tf.image.random_flip_up_down 或 tf.keras.layers.RandomFlip("vertical")。

• 旋转：

  • transforms.RandomRotation(degrees, interpolation=InterpolationMode.NEAREST, expand=False, center=None, fill=0): 以随机角度旋转图像。类似于 tf.keras.layers.RandomRotation。

• 颜色和像素调整：

  • transforms.ColorJitter(brightness=0, contrast=0, saturation=0, hue=0): 随机改变图像的亮度、对比度、饱和度和色调。此单个转换涵盖的功能类似于 tf.image.random_brightness、tf.image.random_contrast、tf.image.random_saturation 和 tf.image.random_hue。
  • transforms.GaussianBlur(kernel_size, sigma=(0.1, 2.0)): 应用随机高斯模糊。
  • transforms.RandomGrayscale(p=0.1): 随机将图像转换为灰度。

• 转换和标准化：

  • transforms.ToTensor(): 这是一个重要的转换。它将范围 [0, 255] 内的 PIL 图像或 NumPy 数组 (H x W x C) 转换为形状为 (C x H x W) 且范围在 [0.0, 1.0] 的 PyTorch FloatTensor。TensorFlow 通常更隐式地处理张量转换和缩放，或通过 tf.image.convert_image_dtype 进行。
  • transforms.Normalize(mean, std, inplace=False): 使用均值和标准差对张量图像进行标准化。你通常会使用数据集的均值和标准差。这类似于使用 tf.keras.layers.Normalization 或手动执行 $(input - mean) / std$。

组合转换

要应用一系列增强，你可以使用 transforms.Compose。例如，如果你想随机裁剪并调整图像大小，然后随机水平翻转它，最后将其转换为张量，你可以这样做：

from torchvision import transforms
from PIL import Image

# 示例：定义转换组合
data_transforms = transforms.Compose([
    transforms.RandomResizedCrop(224),
    transforms.RandomHorizontalFlip(),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406],  # 标准 ImageNet 归一化
                         std=[0.229, 0.224, 0.225])
])

# 假设 'img' 是从文件加载的 PIL 图像
# transformed_img_tensor = data_transforms(img)

在此代码段中，data_transforms 现在是一个可调用对象，它将按顺序对输入图像应用每个已定义的转换。

将增强集成到数据管道中

你通常会将这些转换集成到你的 Dataset 类中。当从你的 Dataset 请求一个项目时（即在 __getitem__ 方法中），你会加载数据样本（例如，一张图像），然后应用组合的转换，最后返回。

from torch.utils.data import Dataset
from PIL import Image
import os

class CustomImageDataset(Dataset):
    def __init__(self, image_paths, labels, transform=None):
        self.image_paths = image_paths
        self.labels = labels
        self.transform = transform # 'transform' 参数将是我们的 'transforms.Compose' 对象

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

    def __getitem__(self, idx):
        img_path = self.image_paths[idx]
        image = Image.open(img_path).convert("RGB") # 以 PIL 图像格式加载图像
        label = self.labels[idx]

        if self.transform:
            image = self.transform(image) # 在此处应用转换

        return image, label

# 用法：
# train_transforms = transforms.Compose([
#     transforms.RandomResizedCrop(224),
#     transforms.RandomHorizontalFlip(),
#     transforms.ToTensor(),
#     transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225])
# ])
#
# train_dataset = CustomImageDataset(image_paths=..., labels=..., transform=train_transforms)
# train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=32, shuffle=True)

下图展示了图像在 PyTorch 中通过典型增强管道的流程：

图像由 Dataset 加载，然后通过 transforms.Compose 定义的一系列转换。最终的增强张量再由 DataLoader 进行批处理。

torchvision.datasets 中的许多内置数据集（如 ImageFolder、CIFAR10 等）也接受 transform 参数 (parameter)，允许你在实例化它们时直接传入你的 transforms.Compose 对象。

TensorFlow 与 PyTorch 增强：快速比较

尽管数据增强的目标相同，但实现细节略有不同。以下是一个比较表：

特性/任务	TensorFlow (tf.image / Keras 层)	PyTorch (torchvision.transforms)
主要模块	tf.image，tf.keras.layers (预处理)	torchvision.transforms
链式处理	在 Dataset.map() 中按顺序应用，或在 Keras Sequential 模型中。	transforms.Compose([...])
输入类型	主要为张量。	PIL 图像、张量。
张量转换	通常是隐式的，或通过 tf.image.convert_image_dtype。	通过 transforms.ToTensor() 显式转换。
像素范围	tf.image 函数通常期望 [0,1] 或 [0,255]。ToTensor() 缩放至 [0,1]。	输入 PIL 图像通常为 [0,255]。ToTensor() 输出 [0,1]。
形状约定	图像为 (H, W, C)。	ToTensor() 后张量为 (C, H, W)。PIL 图像为 (H, W, C)。
执行	可以是 TensorFlow 图的一部分（尤其是 Keras 层），可能经过 JIT 编译并在 GPU 上运行。	通常是数据加载期间在 CPU 上执行的 Python 函数。
集成	Dataset.map(augment_fn)，模型中的 Keras 层。	在 Dataset.__getitem__ 中或传入 torchvision.datasets。

注意事项

• CPU 与 GPU 增强：大多数 torchvision.transforms 在数据加载过程中作为一部分在 CPU 上执行。TensorFlow 的 Keras 预处理层具有优势，如果它们是模型的一部分，可能在 GPU 上运行增强。对于 PyTorch 中的 GPU 加速增强，你可以尝试 Kornia 等库，尽管这是一个更高级的主题。
• 转换顺序：transforms.Compose 中的顺序很重要。例如，ToTensor() 通常应在 Normalize() 之前，因为 Normalize() 需要一个张量。几何变换通常在颜色变换之前应用。
• 确定性转换与随机转换：在评估或测试期间，你通常希望使用确定性转换（例如，Resize 和 CenterCrop，而不是 RandomResizedCrop）。你通常会为训练和验证定义单独的转换管道。

  # 示例：训练和验证的独立转换
  train_transforms = transforms.Compose([
      transforms.RandomResizedCrop(224),
      transforms.RandomHorizontalFlip(),
      transforms.ToTensor(),
      transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
  ])
  
  val_transforms = transforms.Compose([
      transforms.Resize(256),
      transforms.CenterCrop(224),
      transforms.ToTensor(),
      transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
  ])
  

• 自定义转换：如果内置转换不够用，PyTorch 允许你通过实现 __call__ 方法来轻松创建自己的自定义转换类。

了解 torchvision.transforms 后，你可以在 PyTorch 项目中有效地应用数据增强策略，就像使用 TensorFlow 的工具一样。transforms.Compose 的灵活性以及它与 Dataset 对象的轻松集成，使其成为预处理和增强数据的便捷系统。