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使用Node.js在深度學(xué)習(xí)中做圖片預(yù)處理的方法

 更新時間:2019年09月18日 10:10:37   作者:vabaly  
這篇文章主要介紹了使用Node.js在深度學(xué)習(xí)中做圖片預(yù)處理的方法,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì),對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值,需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

背景

最近在做一個和對象識別相關(guān)的項(xiàng)目,由于團(tuán)隊(duì)內(nèi)技術(shù)棧偏向 JavaScript,在已經(jīng)用 PythonTensorflow 搭建好了對象識別服務(wù)器后,為了不再增加團(tuán)隊(duì)成員維護(hù)成本,所以盡可能將訓(xùn)練和識別之外的任務(wù)交給 Node.js 來做,今天要講到的圖片預(yù)處理就是其中之一。

這里對還不了解深度學(xué)習(xí)的人就幾個概念做個簡單的解釋

  1. 對象識別:對象識別可理解為計算機(jī)在一張圖片中發(fā)現(xiàn)某個或某些指定的物體,比如找到里面所有的狗。
  2. 訓(xùn)練:計算機(jī)學(xué)會對象識別這個本領(lǐng)就像人類學(xué)會說話一樣,需要不斷地練習(xí),深度學(xué)習(xí)中管這個過程叫做 “訓(xùn)練”。
  3. 訓(xùn)練集:人類學(xué)會說話需要看別人怎么說,聽別人的聲音等等,這些能夠讓自己學(xué)會說話的信息在深度學(xué)習(xí)中稱為訓(xùn)練集,只不過對象識別中需要的訓(xùn)練集只有圖片。

做圖片預(yù)處理的目的是為了解決對象識別中訓(xùn)練集不足的問題。當(dāng)對象識別應(yīng)用于某個專用領(lǐng)域的時候,就會遇到這個問題。如果你是識別一只狗,這樣的圖片一大把,而且有人已經(jīng)訓(xùn)練好了,并且可以提供服務(wù)給大家使用了。如果你是識別團(tuán)隊(duì)內(nèi)的文化衫,這樣的圖片就太少了,費(fèi)了老半天勁拍 100 張,這樣的數(shù)據(jù)量依然少得可憐。要知道網(wǎng)上那些成熟的 AI 服務(wù),訓(xùn)練集隨隨便便就成千上萬,甚至以億為單位。當(dāng)然,專用領(lǐng)域一般需求也比較簡單,需要識別出來的東西種類不多,特征也比較明顯,但是仍然會希望訓(xùn)練集越大越好,這時候就可以對所擁有的圖片做一些處理,來生成新的圖片,從而擴(kuò)充當(dāng)前的訓(xùn)練集,這個過程就叫圖片預(yù)處理了。

常見的圖片預(yù)處理方式有以下幾種:

  • 旋轉(zhuǎn)。由于旋轉(zhuǎn)的角度可以是任意值,所以需要隨機(jī)生成一些角度來旋轉(zhuǎn),這又稱為隨機(jī)旋轉(zhuǎn)。
  • 翻轉(zhuǎn)。相當(dāng)于在圖片旁邊放面鏡子,新圖片就是鏡子內(nèi)的圖片,一般有水平翻轉(zhuǎn)和豎直翻轉(zhuǎn)兩種。
  • 調(diào)節(jié)亮度。調(diào)節(jié)過手機(jī)的亮度就能體會這個意思。
  • 調(diào)節(jié)飽和度。調(diào)節(jié)過傳統(tǒng)電視就能體會到這個意思,飽和度越高,色彩顯示越鮮艷,反之給人一種冷色的感覺。
  • 調(diào)節(jié)色相。這個相當(dāng)于給整個圖片變顏色一樣,想象一下以前調(diào)出來的綠色電視。
  • 調(diào)節(jié)對比度。這個會讓圖片亮的地方更亮,暗的地方更暗。也可以想象一下電視上的對比度調(diào)節(jié),不得不說電視機(jī)啟蒙了這些專業(yè)名詞。

上述每項(xiàng)操作都需要視場景而選擇,目前適用于我們團(tuán)隊(duì)的處理方式主要也就是上面這些。還有一些白化、Gamma 處理等操作,由于不是那么直觀,有興趣的人可以自己去了解。

安裝 gm

gm 是一個圖片處理的 npm 庫,性能在 Node.js 庫中應(yīng)該算佼佼者了,它底層默認(rèn)使用的是 GraphicsMagick,所以你需要先安裝 GraphicsMagick,在 Mac 系統(tǒng)中直接用 Homebrew 安裝:

brew install graphicsmagick

其他系統(tǒng)的安裝方式可以直接前往官網(wǎng)查看。

如果你需要在圖片上添加文字,還需要安裝 ghostscript,在 Mac 上可以用 brew install ghostscript 安裝。由于本文沒涉及到這一個功能,所以可以不用安裝。

同時,需要將 gm 安裝在你的項(xiàng)目下:

npm i gm -S

預(yù)處理

為了直觀,我選了一張圖片作為預(yù)處理對象:

另外,在本文的示例代碼中,每種預(yù)處理方法的函數(shù)名都是參照 TensorflowImage 模塊的同名方法而定,更多處理圖片的方法可以前往 Tensorflow 文檔官網(wǎng)自行查看,同時去 gm 官方文檔 中尋找相同作用的方法。

翻轉(zhuǎn)

沿 Y 軸翻轉(zhuǎn)用到了 gm.flip 方法:

import gm from 'gm';

/**
 * 沿 Y 軸翻轉(zhuǎn),即上下顛倒
 * @param inputPath 輸入的圖像文件路徑
 * @param outputPath 輸出的圖像文件路徑
 * @param callback 處理后的回調(diào)函數(shù)
 */
function flip(inputPath, outputPath, callback) {
  gm(inputPath)
    .flip()
    .write(outputPath, callback);
}

翻轉(zhuǎn)后的效果如下圖所示:

沿 X 軸翻轉(zhuǎn)用到了 gm.flop 方法:

import gm from 'gm';

/**
 * 沿 X 軸翻轉(zhuǎn),即上下顛倒
 * @param inputPath 輸入的圖像文件路徑
 * @param outputPath 輸出的圖像文件路徑
 * @param callback 處理后的回調(diào)函數(shù)
 */
function flop(inputPath, outputPath, callback) {
  gm(inputPath)
    .flop()
    .write(outputPath, callback);
}

翻轉(zhuǎn)后的效果如下圖所示:

你還可以把 .flip.flop 組合起來使用,形成對角線翻轉(zhuǎn)的效果:

如果把原圖看成一個前端組件,即一個購物按鈕組,里面每個按鈕的背景可以自定義,按鈕里面由文字、分隔線、文字三種元素組成,那么上面翻轉(zhuǎn)后的圖片是可以看成同一個組件的,即可以拿來作為訓(xùn)練集。

有時候,翻轉(zhuǎn)帶來的效果并不是自己想要的,可能翻轉(zhuǎn)后,和原來的圖片就不應(yīng)該視作同一個東西了,這時候這種方法就有局限性了。

調(diào)整亮度

相比之后,調(diào)整亮度就顯得更加普適了,無論是什么圖片,調(diào)整亮度后,里面的東西依然還是原來的那個東西。

調(diào)整亮度用到了 gm.modulate 方法:

/**
 * 調(diào)整亮度
 * @param inputPath 輸入的圖像文件路徑
 * @param outputPath 輸出的圖像文件路徑
 * @param brightness 圖像亮度的值,基準(zhǔn)值是 100,比 100 高則是增加亮度,比 100 低則是減少亮度
 * @param callback 處理后的回調(diào)函數(shù)
 */
function adjustBrightness(inputPath, outputPath, brightness, callback) {
  gm(inputPath)
    .modulate(brightness, 100, 100)
    .write(outputPath, callback);
}

.modulate 方法是一個多功能的方法,可以同時調(diào)整圖片的亮度、飽和度和色相三種特性,這三種特性分別對應(yīng)著該方法的三個參數(shù),這里只調(diào)整亮度,所以只改變第一個參數(shù)(比 100 高則是增加亮度,比 100 低則是減少亮度),其他保持 100 基準(zhǔn)值不變。

我把亮度從 0 - 200 的圖片都生成了出來,并進(jìn)行了對比,選出了一個亮度處理較為合適的區(qū)間??梢钥纯?0 - 200 之間相鄰亮度相差為 10 的圖片之間的差別(提示:每張圖片的左上角標(biāo)識出了該圖片的亮度):

可以看到亮度為 60 以下的圖片,都太暗了,細(xì)節(jié)不夠明顯,亮度為 150 以上的圖片,都太亮了,也是細(xì)節(jié)不夠明顯。而經(jīng)過多張圖片綜合對比之后,我認(rèn)為 [60, 140] 這個區(qū)間的圖片質(zhì)量比較好,與原圖相比不會丟失太多細(xì)節(jié)。

再來看看亮度為 50 和 60 的兩張圖片,其實(shí)看起來像是一張圖片一樣,不符合訓(xùn)練集多樣性的原則,更何況是相鄰亮度相差為 1 的兩張圖片。所以最終決定作為訓(xùn)練集的相鄰兩張圖片亮度差為 20,這樣差異就比較明顯,比如亮度為 80 和亮度為 100 的兩張圖片。

最終,調(diào)節(jié)亮度產(chǎn)生的新圖片將會是 4 張。從亮度為 60 的圖片開始,每增加 20 亮度就選出來加入訓(xùn)練集,直到亮度為 140 的圖片,其中亮度為 100 的圖片不算。

調(diào)節(jié)飽和度

調(diào)節(jié)飽和度也是用 .modulate 方法,只不過是調(diào)節(jié)第二個參數(shù):

/**
 * 調(diào)整飽和度
 * @param inputPath 輸入的圖像文件路徑
 * @param outputPath 輸出的圖像文件路徑
 * @param saturation 圖像飽和度的值,基準(zhǔn)值是 100,比 100 高則是增加飽和度,比 100 低則是減少飽和度
 * @param callback 處理后的回調(diào)函數(shù)
 */
function adjustSaturation(inputPath, outputPath, saturation, callback) {
  gm(inputPath)
    .modulate(100, saturation, 100)
    .write(outputPath, callback);
}

同樣按調(diào)節(jié)亮度的方法來確定飽和度的范圍以及訓(xùn)練集中相鄰兩張圖片的飽和度相差多少。可以看看相鄰飽和度相差為 10 的圖片之間的差別(提示:每張圖片的左上角標(biāo)識出了該圖片的飽和度):

調(diào)節(jié)飽和度的產(chǎn)生的圖片細(xì)節(jié)沒有丟,大多都能夠用作訓(xùn)練集中的圖片,與亮度一樣,飽和度相差 20 的兩張圖片差異性明顯。另外,飽和度大于 140 的時候,圖片改變就不明顯了。所以調(diào)節(jié)飽和度產(chǎn)生的新圖片將會是 6 張。從飽和度為 0 的圖片開始,每增加 20 飽和度就選出來加入訓(xùn)練集,直到飽和度為 140 的圖片,其中飽和度為 100 的圖片不算。

調(diào)節(jié)色相

調(diào)節(jié)色相的方法在此場景下是最有用的方法,產(chǎn)生的訓(xùn)練集最多,率先來看下色相相鄰為 10 的圖片之間的差距吧(提示:每張圖片的左上角標(biāo)識出了該圖片的色相):

幾乎每個圖片都能作為新的訓(xùn)練集,由于色相調(diào)節(jié)范圍只能在 0 - 200 之間,所以從色相為 0 的圖片開始,每增加 10 色相就選出來加入訓(xùn)練集,直到色相為 190 的圖片,其中色相為 100 的圖片不算。 這樣就能夠產(chǎn)生 20 張圖片作為訓(xùn)練集。

至于調(diào)節(jié)色相的代碼則和亮度、飽和度一樣,只是改變了第三個參數(shù):

/**
 * 調(diào)整色相
 * @param inputPath 輸入的圖像文件路徑
 * @param outputPath 輸出的圖像文件路徑
 * @param hue 圖像色相的值,基準(zhǔn)值是 100,比 100 高則是增加色相,比 100 低則是減少色相
 * @param callback 處理后的回調(diào)函數(shù)
 */
function adjustHue(inputPath, outputPath, hue, callback) {
  gm(inputPath)
    .modulate(100, 100, hue)
    .write(outputPath, callback);
}

調(diào)節(jié)色相并不是萬能的,只是適用于這個場景,當(dāng)然,我們團(tuán)隊(duì)的需求都是類似這個場景的。但是,如果你要訓(xùn)練識別梨的人工智能,告訴它有個藍(lán)色的梨顯然是不合適的。

調(diào)節(jié)對比度

調(diào)整對比度用到了 gm.contrast 方法:

/**
 * 調(diào)整對比度
 * @param inputPath 輸入的圖像文件路徑
 * @param outputPath 輸出的圖像文件路徑
 * @param multiplier 調(diào)節(jié)對比度的因子,默認(rèn)是 0,可以為負(fù)值,n 表示增加 n 次對比度,-n 表示降低 n 次對比度
 * @param callback 處理后的回調(diào)函數(shù)
 */
function adjustContrast(inputPath, outputPath, multiplier, callback) {
  gm(inputPath)
    .contrast(multiplier)
    .write(outputPath, callback);
}

下面是對比度因子從 -10 到 10 之間的圖像,可以看到圖片質(zhì)量較好的區(qū)間是 [-5, 2],其他都會丟失一些細(xì)節(jié)。另外相鄰對比度因子的圖片之間的差異也比較明顯,所以每張圖片都可作為訓(xùn)練集,這樣又多出 7 張圖片。

總結(jié)

通過上述 5 種方法,可以在一張圖片的基礎(chǔ)上額外獲得 40 張圖片,即訓(xùn)練集是原來的 40 倍。這還是在沒有多種方法混合使用的情況下,如果混合使用,恐怕幾百倍都不止。

gm 還支持對圖片進(jìn)行其他處理方式,你可以自己去發(fā)掘,每種方式在特定場景下都有自己的局限性,需要你去甄選。希望大家都有一個自己滿意的訓(xùn)練集。

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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