非常好用的Python图像增强工具，适用多个框架

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作者：mdbloice

编译：ronghuaiyang

图像增强是CV领域非常常用的技术，这里找到一个非常好用的图像增强的工具，可以用于Pytorch和Keras，而且功能强大，使用简单，更重要的是可以成对的进行图像增强，简直是实战利器，有了这个，妈妈再也不用担心我的数据不够了。

Augmentor是一个Python的图像增强库。这是一个独立的库，不依赖与某个平台或某个框架，非常的方便，可以进行细粒度的增强控制，而且实现了大部分的增强技术。使用了随机的方法来构建基础的模块，用户可以把这些模块组成pipline使用。

Augmentor是Python写的。还有一个Julia的版本，链接：https://github.com/Evizero/Augmentor.jl

使用pip安装：

pip install Augmentor

从源码安装的话，请看编译文档。升级版本的话：

pip install Augmentor --upgrade

完整的文档链接: http://augmentor.readthedocs.io

Augmentor的目的是进行自动的图像增强（生成人造数据）为了扩展数据集作为机器学习算法的输入，特别是神经网络和深度学习。

这个包通过创建一个增强的pipeline，即定义一系列的操作。这些操作有比如旋转和变换，一个加一个成为一个增强的pipeline，当完成的时候，pipeline可以执行，增强之后的数据也创建成功。

开始时，需要初始化pipeline对象，指向一个文件夹。

  import Augmentor  p = Augmentor.Pipeline("/path/to/images")


    

然后可以在pipeline对象中添加操作：

p.rotate(probability=0.7, max_left_rotation=10, max_right_rotation=10p.zoom(probability=0.5, min_factor=1.1, max_factor=1.5)

每个函数需要制定一个概率，用来决定是否需要对这个图像进行这个操作。

一旦你创建了pipeline，可以从中进行采样，就像这样：

p.sample(10000)

这样会产生10000个增强之后的图像。默认会写到指定文件夹中的名为output的目录中，这个指定文件夹就是初始化时指定的那个。

如果你想进行一次图像的增强操作，可以使用process():

p.process()

这个函数在进行数据集缩放的时候会有用。可以创建一个pipeline，其中所有的操作的概率都设置为1，然后使用process()方法。

Augmentor (version >=0.2.1) 现在使用多线程技术来提高速度。

对于原始图像非常小的图像来说，某些pipeline可能会变慢。如果发现这种情况，可以设置multi_threaded为False。

p.sample(100, multi_threaded=False)

默认的情况下，sample()函数是使用多线程的。这个只在保存到磁盘的时候实现。生成器也会在下个版本使用多线程。

图像可以两个一组的通过pipeline，所以ground truth的图像可以同等的进行增强。

为了并行的对原始数据进行ground truth的增强，可以使用ground_truth()方法增加一个ground truth的文件夹到pipeline中：

p = Augmentor.Pipeline("/path/to/images")# Point to a directory containing ground truth data.# Images with the same file names will be added as ground truth data


    
# and augmented in parallel to the original data.p.ground_truth("/path/to/ground_truth_images")# Add operations to the pipeline as normal:p.rotate(probability=1, max_left_rotation=5, max_right_rotation=5)p.flip_left_right(probability=0.5)p.zoom_random(probability=0.5, percentage_area=0.8)p.flip_top_bottom(probability=0.5)p.sample(50)

使用DataPipeline类 (Augmentor version >= 0.2.3)，可以对有多个相关的掩模的图像进行增强：

任意长度的图像列表都可以成组的通过pipeline，并且使用DataPipeline类同样的进行增强。这个对于ground truth图像有好几个掩模的时候非常有用。举个例子。

下面的例子中，图像和掩模包含在一个images的数据结构中，对应的标签在y中：

p = Augmentor.DataPipeline(images, y)p.rotate(1, max_left_rotation=5, max_right_rotation=5)p.flip_top_bottom(0.5)p.zoom_random(1, percentage_area=0.5)augmented_images, labels = p.sample(100)

DataPipeline直接返回图像，并不存储在磁盘中，也不从磁盘中读取数据。图像通过初始化直接传到DataPipeline中。images的数据结构的创建细节，可以参考https://github.com/mdbloice/Augmentor/blob/master/notebooks/Multiple-Mask-Augmentation.ipynb。

如果你不想将图像存储到硬盘中，可以使用生成器，generator，使用Keras的情况：

g = p.keras_generator(batch_size=128)images, labels = next(g)

返回的图像的batchsize是128，还有对应的labels。Generator返回的数据是不确定的，可以用来在线生成增强的数据，用在训练神经网络中。

同样的，你可以使用Pytorch：

import torchvisiontransforms = torchvision.transforms.Compose([   p.torch_transform(),   torchvision.transforms.ToTensor(),])

使用弹性畸变，一张图像可以生成许多图像。

这个输入图像有一个像素宽的黑边，表明了在进行畸变的时候，没有改变尺寸，也没有在新的图像上进行任何的padding。

具体的功能可以在这里看到:

Original Image[1]	Random distortions applied

总共有12个不同类型的透视变换。4中最常用的如下：

Tilt Left	Tilt Right	Tilt Forward	Tilt Backward

剩下的8种透视变换:

Skew Type 0	Skew Type 1	Skew Type 2	Skew Type 3

Skew Type 4	Skew Type 5	Skew Type 6	Skew Type 7

默认保持原始文件大小的旋转：

Original Image	Rotated 10 degrees, automatically cropped

对比其他软件的旋转:

Original Image	Rotated 10 degrees

剪切的同时也会自动从剪切图像中裁剪正确的区域，所以图像中没有黑的区域或者padding。

Original image	Shear (x-axis) 20 degrees	Shear (y-axis) 20 degrees

对比普通的剪切操作：

Original image	Shear (x-axis) 20 degrees	Shear (y-axis) 20 degrees

裁剪同样也使用了一种更加适合机器学习的方法：

Original image	Random crops + resize operation

随机擦除是一种使模型对遮挡更加鲁棒的技术。这个对使用神经网络训练物体检测的时候非常有用：

看 Pipeline.random_erasing() 文档了解更多的用法。

使用几个操作，单个图像可以增强成许多的新图像，对应同样的label：

Original image	Distortions + mirroring

在上面的例子中，我们使用了3个操作：首先做了畸变操作，然后进行了左右的镜像，概率为0.5，最后以0.5的概率做了上下的翻转。然后从这个pipeline中采样了100次，得到了100个数据。

p.random_distortion(probability=1, grid_width=4, grid_height=4, magnitude=8)p.flip_left_right(probability=0.5)p.flip_top_bottom(probability=0.5)p.sample(100)

• 从本地文件夹中读取图像进行增强，然后使用生成器将增强的图像流送到卷积神经网络中，参见 https://github.com/mdbloice/Augmentor/blob/master/notebooks/Augmentor_Keras.ipynb

• 增强内存中的图像，使用生成器将新的图像送到Keras的网络中，参见 https://github.com/mdbloice/Augmentor/blob/master/notebooks/Augmentor_Keras_Array_Data.ipynb

Augmentor 允许每个类定义不同的pipelines，这意味着你可以在分类问题中为不同的类别定义不同的增强策略。

例子在这里：https://github.com/mdbloice/Augmentor/blob/master/notebooks/Per_Class_Augmentation_Strategy.ipynb

我们可以使用一张图像来完成一个增强的任务，演示一下Augmentor的pipeline和一些功能。

首先，导入包，初始化Pipeline对象，指定一个文件夹，这个文件夹里放着你的图像。

import Augmentorp = Augmentor.Pipeline("/home/user/augmentor_data_tests")

然后你可以在pipeline中添加各种操作：

p.rotate90(probability=0.5)p.rotate270(probability=0.5)p.flip_left_right(probability=0.8)p.flip_top_bottom(probability=0.3)p.crop_random(probability=1, percentage_area=0.5)p.resize(probability=1.0, width=120, height=120)

操作添加完了之后，可以进行采样：

p.sample(100)

其中的几个

Input Image[3]		Augmented Images
	→

增强的图像对边缘检测任务也许很有用。

    
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