使用数据增强技术提升模型泛化能力

栏目: 数据库 · 发布时间: 5年前

内容简介：在《对于Google、Facebook来说，收集几百万张图片，训练超大规模的深度学习模型，自然不在话下。但是对于个人或者小型企业而言，收集现实世界的数据，特别是带标签的数据，将是一件非常费时费力的事。本文探讨一种技术，在现有数据集的基础上，进行数据增强（data augmentation），增加参与模型训练的数据量，从而提升模型的性能。所谓数据增强，就是采用在原有数据上随机增加抖动和扰动，从而生成新的训练样本，新样本的标签和原始数据相同。这个也很好理解，对于一张标签为“狗”的图片，做一定的模糊、裁剪、变形等

在《提高模型性能，你可以尝试这几招… 》一文中，我们给出了几种提高模型性能的方法，但这篇文章是在训练数据集不变的前提下提出的优化方案。其实对于深度学习而言，数据量的多寡通常对模型性能的影响更大，所以扩充数据规模一般情况是一个非常有效的方法。

对于Google、Facebook来说，收集几百万张图片，训练超大规模的深度学习模型，自然不在话下。但是对于个人或者小型企业而言，收集现实世界的数据，特别是带标签的数据，将是一件非常费时费力的事。本文探讨一种技术，在现有数据集的基础上，进行数据增强（data augmentation），增加参与模型训练的数据量，从而提升模型的性能。

什么是数据增强

所谓数据增强，就是采用在原有数据上随机增加抖动和扰动，从而生成新的训练样本，新样本的标签和原始数据相同。这个也很好理解，对于一张标签为“狗”的图片，做一定的模糊、裁剪、变形等处理，并不会改变这张图片的类别。数据增强也不仅局限于图片分类应用，比如有如下图所示的数据，数据满足正态分布：

使用数据增强技术提升模型泛化能力

我们在数据集的基础上，增加一些扰动处理，数据分布如下：

使用数据增强技术提升模型泛化能力

数据就在原来的基础上增加了几倍，但整体上仍然满足正态分布。有人可能会说，这样的出来的模型不是没有原来精确了吗？考虑到现实世界的复杂性，我们采集到的数据很难完全满足正态分布，所以这样增加数据扰动，不仅不会降低模型的精确度，然而增强了泛化能力。

对于图片数据而言，能够做的数据增强的方法有很多，通常的方法是：

平移
旋转
缩放
裁剪
切变(shearing)
水平/垂直翻转
…

上面几种方法，可能切变(shearing)比较难以理解，看一张图就明白了：

使用数据增强技术提升模型泛化能力

我们要亲自编写这些数据增强算法吗？通常不需要，比如keras就提供了批量处理图片变形的方法。

keras中的数据增强方法

keras中提供了ImageDataGenerator类，其构造方法如下：

ImageDataGenerator(featurewise_center=False,
    samplewise_center=False,
    featurewise_std_normalization = False,
    samplewise_std_normalization = False,
    zca_whitening = False,
    rotation_range = 0.,
    width_shift_range = 0.,
    height_shift_range = 0.,
    shear_range = 0.,
    zoom_range = 0.,
    channel_shift_range = 0.,
    fill_mode = 'nearest',
    cval = 0.0,
    horizontal_flip = False,
    vertical_flip = False,
    rescale = None,
    preprocessing_function = None,
    data_format = K.image_data_format(),
)

参数很多，常用的参数有：

rotation_range：控制随机的度数范围旋转。
width_shift_range和height_shift_range：分别用于水平和垂直移位。
zoom_range：根据[1 - zoom_range，1 + zoom_range]范围均匀将图像“放大”或“缩小”。
horizontal_flip：控制是否水平翻转。

完整的参数说明请参考keras文档。

下面一段代码将1张给定的图片扩充为10张，当然你还可以扩充更多：

image = load_img(args["image"])
image = img_to_array(image)
image = np.expand_dims(image, axis=0)

aug = ImageDataGenerator(rotation_range=30, width_shift_range=0.1, height_shift_range=0.1,
                         shear_range=0.2, zoom_range=0.2, horizontal_flip=True, fill_mode="nearest")

aug.fit(image)

imageGen = aug.flow(image, batch_size=1, save_to_dir=args["output"], save_prefix=args["prefix"],
                    save_format="jpeg")

total = 0
for image in imageGen:
  # increment out counter
  total += 1

  if total == 10:
    break

需要指出的是，上述代码的最后一个迭代是必须的，否在不会在output目录下生成图片，另外output目录必须存在，否则会出现一下错误：

Traceback (most recent call last):
  File "augmentation_demo.py", line 35, in <module>
    for image in imageGen:
  File "/data/ai/anaconda3/envs/keras/lib/python3.6/site-packages/keras_preprocessing/image.py", line 1526, in __next__
    return self.next(*args, **kwargs)
  File "/data/ai/anaconda3/envs/keras/lib/python3.6/site-packages/keras_preprocessing/image.py", line 1704, in next
    return self._get_batches_of_transformed_samples(index_array)
  File "/data/ai/anaconda3/envs/keras/lib/python3.6/site-packages/keras_preprocessing/image.py", line 1681, in _get_batches_of_transformed_samples
    img.save(os.path.join(self.save_to_dir, fname))
  File "/data/ai/anaconda3/envs/keras/lib/python3.6/site-packages/PIL/Image.py", line 1947, in save
    fp = builtins.open(filename, "w+b")
FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: 'output/image_0_1091.jpeg'

如下一张狗狗的图片：

使用数据增强技术提升模型泛化能力

经过数据增强技术处理之后，可以得到如下10张形态稍微不同的狗狗的图片，这相当于在原有数据集上增加了10倍的数据，其实我们还可以扩充得最多：

使用数据增强技术提升模型泛化能力

数据增强之后的比较

我们以MiniVGGNet模型为例，说明在其在17flowers数据集上进行训练的效果。17flowers是一个非常小的数据集，包含17中品类的花卉图案，每个品类包含80张图片，这对于深度学习而言，数据量实在是太小了。一般而言，要让深度学习模型有一定的精确度，每个类别的图片至少需要1000～5000张。这样的数据集可以很好的说明数据增强技术的必要性。

从网站上下载的17flowers数据，所有的图片都放在一个目录下，而我们通常训练时的目录结构为：