代码收藏家技术教程 2022-07-26

PyTorch数据归一化处理：transforms.Normalize及计算图像数据集的均值和方差

1.数据归一化处理：transforms.Normalize

1.1 理解torchvision

1.2 数据标准化Normalize

2.计算图像数据集的均值和方差

2.1 使用PyTorch计算图像数据集的均值和方差(推荐)

2.2 使用opencv和numpy计算图像数据集的均值和方差

2.3 计算某个目录下所有图片的均值和方差

参考资料

# Data
print('==> Preparing data..')
transform_train = transforms.Compose([
    transforms.RandomCrop(32, padding=4),
    transforms.RandomHorizontalFlip(),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010)),
])

transform_test = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010)),
])

trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True, download=True, transform=transform_train)
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=128, shuffle=True, num_workers=0)

testset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=False, download=True, transform=transform_test)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=100, shuffle=False, num_workers=0)

1.数据归一化处理：transforms.Normalize

1.1 理解torchvision

torchvision.transforms：常用的图像预处理方法

torchvision.datasets：常用的数据集Dataset实现

torchvision.models：常用的CV（预训练）模型实现

torchvision.transforms:常用的数据预处理方法，提升泛化能力，包括：数据中心化、数据标准化、缩放、裁剪、旋转、翻转、填充、噪声添加、灰度变换、线性变换、仿射变换、亮度、饱和度及对比度变换等

数据增强又称为数据增广，数据扩增，它是对训练集进行变换，使训练集更丰富，从而让模型更具泛化能力。

1.2 数据标准化Normalize

功能：逐channel的对图像进行标准化（均值变为0，标准差变为1），可以加快模型的收敛
output = (input – mean) / std
mean：各通道的均值
std：各通道的标准差
inplace：是否原地操作

思考：

（1）据我所知，归一化就是要把图片3个通道中的数据整理到[-1, 1]区间。
x = (x – mean(x))/std(x)
只要输入数据集x确定了，mean(x)和std(x)也就是确定的数值了，为什么Normalize()函数还需要输入mean和std的数值呢？？？？

（2）RGB单个通道的值是[0, 255]，所以一个通道的均值应该在127附近才对。
如果Normalize()函数去计算 x = (x – mean)/std ，因为RGB是[0, 255]，算出来的x就不可能落在[-1, 1]区间了。

（3）在我看的了论文代码里面是这样的：
torchvision.transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225])
为什么就确定了这一组数值，这一组数值是怎么来的？为什么这三个通道的均值都是小于1的值呢？

理解：

（1）针对第一个问题，mean 和 std 肯定要在normalize（）之前自己先算好再传进去的，不然每次normalize（）就得把所有的图片都读取一遍算出mean和std

（2）针对第二个问题，有两种情况
（a )如果是imagenet数据集，那么ImageNet的数据在加载的时候就已经转换成了[0, 1].
（b) 应用了torchvision.transforms.ToTensor，其作用是将数据归一化到[0,1]（是将数据除以255），transforms.ToTensor（）会把HWC会变成C *H *W（拓展：格式为(h,w,c)，像素顺序为RGB）

（3）针对第三个问题：[0.485, 0.456, 0.406]这一组平均值是从imagenet训练集中抽样算出来的。

继续有疑问：

ToTensor 已经[0,1]为什么还要[0.485, 0.456, 0.406]？那么归一化后，为什么还要接一个Normalize()呢?Normalize()是对数据按通道进行标准化，即减去均值，再除以方差

解答：

别人的解答：数据如果分布在(0,1)之间，可能实际的bias，就是神经网络的输入b会比较大，而模型初始化时b=0的，这样会导致神经网络收敛比较慢，经过Normalize后，可以加快模型的收敛速度。因为对RGB图片而言，数据范围是[0-255]的，需要先经过ToTensor除以255归一化到[0,1]之后，再通过Normalize计算过后，将数据归一化到[-1,1]。

是否可以这样理解：[0，1]只是范围改变了，并没有改变分布，mean和std处理后可以让数据正态分布😂

2.计算图像数据集的均值和方差

2.1 使用PyTorch计算图像数据集的均值和方差(推荐)

Pytorch图像预处理时，通常使用transforms.Normalize(mean, std)对图像按通道进行标准化，即减去均值，再除以方差。这样做可以加快模型的收敛速度。其中参数mean和std分别表示图像每个通道的均值和方差序列。

Imagenet数据集的均值和方差为：mean=(0.485, 0.456, 0.406)，std=(0.229, 0.224, 0.225)，因为这是在百万张图像上计算而得的，所以我们通常见到在训练过程中使用它们做标准化。而对于特定的数据集，选择这个值的结果可能并不理想。接下来给出计算特定数据集的均值和方差的方法。

import torch
from torchvision.datasets import ImageFolder


def getStat(train_data):
    '''
    Compute mean and variance for training data
    :param train_data: 自定义类Dataset(或ImageFolder即可)
    :return: (mean, std)
    '''
    print('Compute mean and variance for training data.')
    print(len(train_data))
    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(
        train_data, batch_size=1, shuffle=False, num_workers=0,
        pin_memory=True)
    mean = torch.zeros(3)
    std = torch.zeros(3)
    for X, _ in train_loader:
        for d in range(3):
            mean[d] += X[:, d, :, :].mean()
            std[d] += X[:, d, :, :].std()
    mean.div_(len(train_data))
    std.div_(len(train_data))
    return list(mean.numpy()), list(std.numpy())


if __name__ == '__main__':
    train_dataset = ImageFolder(root=r'./data/food/', transform=None)
    print(getStat(train_dataset))

./data/ready_chinese_food/的目录结构如下：

getState()方法接收一个Dataset类（ImageFolder），然后累加所有图像三个通道的均值和方差，最后除以图像总数并返回。

这里用食品数据集尚做的测试，测试集返回的结果如下所示：

Compute mean and variance for training data.
10000
([0.4940607, 0.4850613, 0.45037037], [0.20085774, 0.19870903, 0.20153421])

2.2 使用opencv和numpy计算图像数据集的均值和方差

import os
import random

import cv2
import numpy as np

# calculate means and std
train_txt_path = './data/Label/TR.txt'
base_path = './data/food'

CNum = 66071  # 挑选多少图片进行计算

img_h, img_w = 256, 256
imgs = np.zeros([img_w, img_h, 3, 1])
means, stdevs = [], []

with open(train_txt_path, 'r') as f:
    lines = f.readlines()
    random.shuffle(lines)  # shuffle , 随机挑选图片

    for i in range(CNum):
        # img_path = os.path.join(base_path, lines[i].rstrip().split()[0])
        img_path = base_path + lines[i].rstrip().split()[0]

        img = cv2.imread(img_path)
        img = cv2.resize(img, (img_h, img_w))
        img = img[:, :, :, np.newaxis]

        imgs = np.concatenate((imgs, img), axis=3)

imgs = imgs.astype(np.float32) / 255.

for i in range(3):
    pixels = imgs[:, :, i, :].ravel()  # 拉成一行
    means.append(np.mean(pixels))
    stdevs.append(np.std(pixels))

# cv2 读取的图像格式为BGR，PIL/Skimage读取到的都是RGB不用转
means.reverse()  # BGR --> RGB
stdevs.reverse()

print("normMean = {}".format(means))
print("normStd = {}".format(stdevs))
print('transforms.Normalize(normMean = {}, normStd = {})'.format(means, stdevs))

2.3 计算某个目录下所有图片的均值和方差

import numpy as np
import cv2
import os
 
# img_h, img_w = 32, 32
img_h, img_w = 32, 48   #根据自己数据集适当调整，影响不大
means, stdevs = [], []
img_list = []
 
imgs_path = 'D:/database/VOCdevkit/VOC2012/JPEGImages/'
imgs_path_list = os.listdir(imgs_path)
 
len_ = len(imgs_path_list)
i = 0
for item in imgs_path_list:
    img = cv2.imread(os.path.join(imgs_path,item))
    img = cv2.resize(img,(img_w,img_h))
    img = img[:, :, :, np.newaxis]
    img_list.append(img)
    i += 1
    print(i,'/',len_)    
 
imgs = np.concatenate(img_list, axis=3)
imgs = imgs.astype(np.float32) / 255.
 
for i in range(3):
    pixels = imgs[:, :, i, :].ravel()  # 拉成一行
    means.append(np.mean(pixels))
    stdevs.append(np.std(pixels))
 
# BGR --> RGB ， CV读取的需要转换，PIL读取的不用转换
means.reverse()
stdevs.reverse()

print("normMean = {}".format(means))
print("normStd = {}".format(stdevs))