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跟着问题学5——深度学习中的数据集详解（1）

article 2024/11/26 2:27:39

深度学习数据集的创建与读取

数据（计算机术语）

数据(data)是事实或观察的结果，是对客观事物的逻辑归纳，是用于表示客观事物的未经加工的的原始素材。

数据可以是连续的值，比如声音、图像，称为模拟数据。也可以是离散的，如符号、文字，称为数字数据。

在计算机系统中，数据以二进制信息单元0,1的形式表示。

数据（汉语词语）

数据就是数值，也就是我们通过观察、实验或计算得出的结果。数据有很多种，最简单的就是数字。数据也可以是文字、图像、声音等。数据可以用于科学研究、设计、查证等。

数据的形式在深度学习中是什么样的呢？数据在深度学习中是以多维数组的形式存储的，而数据代表的就是样本的数字信息特征，一般来说，对于单一样本的特征，可以像影响房价的因素那样是一维向量数组，也可以是图像特征那样是二维数组，还可以是后面介绍的语言文字那样是一维词向量数组，在训练的时候，通常会批量读取训练，所以数据集会在原有的维度基础上加一个batch_size的维度。

一直在强调，深度学习中最重要的因素之一是数据集，而刚刚入门深度学习的时候也经常会在数据集上无从下手。一般来说，针对数据集，我们需要明确2个要素，以什么样的方式存储在哪里，怎么读取用于训练。

数据存储与数据划分

将数据按照一定的格式存储起来形成的集合就是数据集。

深度学习中，接下来我们将结合pytorch的实例详细介绍一下数据集相关知识。

除非使用已经封装好的数据集如MNIST等可以直接调用api接口导入数据，我们在网上下载也好，自己收集标注也好，都需要将图片，音频，视频，语言文字等模拟数据存储在电脑或服务器特定的路径位置下。

另一点值得注意的是下载和收集的数据要符合特定的格式（尤其不同的模型可能要求数据的格式是不同的，比如MASK-RCNN 和YOLO），这样才能方便代码读取，这里暂时不做过多的展开介绍，后面进行补充，这篇文章重点还是介绍数据的读取过程。

数据集的两个重要因素一是原始数据特征，比如图片，文字等，二是标签，比如类别或者物体分割时的位置等，在存储时要分清他们的位置，便于读取。物体分割时比如MASK-RCNN 和YOLO，需要使用标注工具label等手动获取标签；对于分类任务，一般可以将不同类别的图片划分到不同的子文件夹里，并命名为类别或数字，读取标签的时候直接读取子文件夹名称即可。如下图是表情分类任务的数据集，以不同的数字代表表情类别。

数据集一般会划分为训练，测试和验证三个子集，网上下载好的数据一般是划分好的，若没有划分好或者是自己收集制作的，可以自己划分。最快速上手的方式就是手动分割，不过代码具有泛用性，数据划分主要是路径的处理和文件的遍历，下面以具体例子说明，最开始是data文件夹下有2个类别的子文件夹0和1，

现在我们想要将左图中的原始数据切割成右图中的分train，test，valid的数据集，关键点就是遍历左边的数据，然后设置比例分为三份，并按比例将其复制到右边。这里边涉及几个重要的文件处理函数，一个是os.makedirs(“path”)，在检测到路径无文件夹存在时调用创建文件夹；一个是os.listdir(path),会将路径下的文件或文件夹名称储存到列表里；一个是os.walk(root_dir)，是深度遍历的方式遍历自根文件夹下的所有子文件夹及文件，返回的是三元组（root，subdirs,filenames），

每一层遍历：

root保存的就是当前遍历的文件夹的绝对路径；

subdirs保存当前文件夹下的所有子文件夹的名称（仅一层，孙子文件夹不包括）

filenames保存当前文件夹下的所有文件的名称

举个例子，

-dir1

-1.jpg

-subdir1

--2.jpg

--3.jpg

-subdir2

--4.jpg

--5.jpg

os.walk() 之后遍历的结果就是

第一次遍历输出三元组

dir1 [subdir1，subdir2]，1.jpg

第二次遍历输出三元组

dir/subdir1，[]，[2.jpg，3.jpg]

第三次遍历输出三元组

dir/subdir2，[]，[4.jpg，5.jpg]

而且需要注意的是，这三个输出是在同一个for path，dirnames，filenames in os.walk(root)下递归执行的

检测路径是否存在，若不存在，则创建此路径。

def makedir(new_dir):

if not os.path.exists(new_dir):

os.makedirs(new_dir)

设置路径，将它们组合在一起。相对于Python文件所在位置的相对路径。

dataset_dir = os.path.join("..", "..", "data", "RMB_data")

深度遍历，获取根文件夹和子文件夹下的文件，并对其按照设置的比例存储，以遍历第一个子文件夹为例说明一下：

#进入深度遍历

for root, dirs, files in os.walk(dataset_dir):

#开始遍历第一个子文件夹

for sub_dir in dirs:

#将此子文件夹下的文件名存储到列表里

imgs = os.listdir(os.path.join(root, sub_dir))

imgs = list(filter(lambda x: x.endswith('.jpg'), imgs))

random.shuffle(imgs)

img_count = len(imgs)

#设置划分比例

train_point = int(img_count * train_pct)

valid_point = int(img_count * (train_pct + valid_pct))

#开始按照划分比例切分图片文件

for i in range(img_count):

if i < train_point:

#根据归属于不同的比例填入或创建目标路径

out_dir = os.path.join(train_dir, sub_dir)

elif i < valid_point:

out_dir = os.path.join(valid_dir, sub_dir)

else:

out_dir = os.path.join(test_dir, sub_dir)

#创建目标路径

makedir(out_dir)

#将文件从源文件复制到目标文件位置

target_path = os.path.join(out_dir, imgs[i])

src_path = os.path.join(dataset_dir, sub_dir, imgs[i])

shutil.copy(src_path, target_path)

shutil.copy()Python中的方法用于将源文件的内容复制到目标文件或目录。它还会保留文件的权限模式，但不会保留文件的其他元数据(例如文件的创建和修改时间)。源必须代表文件，但目标可以是文件或目录。如果目标是目录，则文件将使用源中的基本文件名复制到目标中。另外，目的地必须是可写的。如果目标是文件并且已经存在，则将其替换为源文件，否则将创建一个新文件。

数据的变换

在图像数据集的训练中，经常会利用torchvision.transforms.Compose()将对图像预处理的操作以列表[,,]的形式组合在一起，然后赋值给到data_transform，并作为后续创建dataset时的参数，最常用的分为两类：

一是图像本身的变换，如随机裁剪和翻转，图像变换的时候要注意维度保持一致。

（1）transforms.CenterCrop(size)

从图片中心截取size大小的图片。

（2）transforms.RandomCrop(size,padding,padding_mode)

随机裁剪区域。

（3）transforms.RandomResizedCrop(size,scale,ratio)

随机大小，随机长宽比的裁剪。

（1）transforms.RandomHorizationalFlip(p)

依据概率p水平翻转。

（2）transforms.RandomVerticalFlip(p)

依据概率p垂直翻转。

（3）transforms.RandomRotation(degrees,resample,expand)

二是将“图像”转化为“tensor”，我们知道，任何数据（包括图像音频等）在计算机上的计算都是要转化成数字信息的，所以我们需要将图像数据转化成pytorch中数字信息以及存储格式tensor。

transforms.Totensor（）

将图像数据转换为tensor。

transforms.Normalize(mean,std,inplace)

逐通道的标准化，每个通道先求出平均值和标准差，然后标准化。Inplace表示是否原地操作。

下面代码为常用的数据变换格式，还有很多其它变换方法，可以在需要使用的时候查询。

train_transform = transforms.Compose([

transforms.Resize((32, 32)),

transforms.RandomCrop(32, padding=4),

transforms.ToTensor(),

transforms.Normalize(norm_mean, norm_std),

])

数据集转换dataset

获得并划分处理好的格式数据之后，需要利用代码将其转变为模型训练可用的数据集，所谓数据集，其实就是一个负责处理索引(index)到样本(sample)映射的一个类(class)。

数据集的三个核心参数便是从格式数据传递的存储路径，给每一个数据加的索引，以及数据集的大小（数据集总数）。

dataset(继承于Dataset)是可以我们自己用代码实现的一个类，这个类中主要包括__init__()，__getitem__()，__len__()这三个函数：

1）__init__()：构造函数，该函数里面会定义存放数据的路径，一般由人给定输入。

2）__getitem__()：这个函数把传入的索引Index和数据（标签）对应起来，返回数据（标签）；

3）__len__()：这个函数获取数据集中样本的总个数。

Pytorch提供两种数据集： Map式数据集 Iterable式数据集

目前深度学习将数据转换成训练可用的数据集有三种形式，

PyTorch集成的数据集接口

实际上，PyTorch提供了很多常用数据集的接口，如果使用这些数据集的话，可以直接使用对应的包加载，会方便很多，比如：

torchvision.datasets 就提供了很多视觉方向的数据集：https://pytorch.org/docs/stable/torchvision/datasets.html?highlight=torchvision datasets
torchtext 则提供了很多文本处理方向的数据集
torchaudio 提供了很多音频处理方向的数据集

当然 PyTorch也可以配合其他包来获得数据以及对数据进行处理，比如：

对于视觉方面，配合 Pillow、OpenCV等
对于音频处理方面，配合 scipy、librosa等
对于文本处理方面，配合 Cython、NLTK、SpaCy等

实际例子来说，比如MNIST,CIFAR10等，这时可以直接利用一句代码读取出来：

在PyTorch中CIFAR10是一个写好的Dataset，我们使用时只需以下代码：

data = datasets.CIFAR10("./data/", transform=transform, train=True, download=True)

此时，代码会检查当前路径下“./data”是否存在cifar10数据集，若不存在，download为true时则启动下载，transform后面会介绍。

ImageFolder 等API

二是网络上一些公开的数据集，这时可以直接下载下来，然后利用定好的方法将其转化为模型训练的数据集，比如我们下载一些图片数据，放到一个文件夹下，这时可以使用ImageFolder这个方便的API。

FaceDataset = datasets.ImageFolder('./data', transform=img_transform)

这个是应用比较广泛的方法，因为很多时候我们会将图片放到特定的文件夹路径下。这里需要注意标签是利用api自动读取的文件夹的名称并返回列表的。

自定义一个数据集

三则是自定义一个数据集，torch.utils.data.Dataset 是一个表示数据集的抽象类。任何自定义的数据集都需要继承这个类并覆写相关方法。这个其实是更深入的了解一下dataset数据集的本质。

Map式数据集

一个Map式的数据集必须要重写getitem(self, index),len(self) 两个内建方法，用来表示从索引到样本的映射（Map）.

Map式的数据集dataset，举个例子，当使用dataset[idx]命令时，可以在你的硬盘中读取你的数据集中第idx张图片以及其标签（如果有的话）;len(dataset)则会返回这个数据集的容量。

自定义类大致是这样的：

class CustomDataset(data.Dataset):#需要继承data.Dataset

def __init__(self):

# 可以初始化文件路径或者数据转换格式等其它处理信息

def __getitem__(self, index):

# 根据输入的索引参数读取一个数据和标签，可以将数据进行处理后返回数据和标签

def __len__(self):

# 返回数据集的大小

例子-1：图片文件储存在“./data/faces/”文件夹下，图片的名字并不是从1开始，而是从final_train_tag_dict.txt这个文件保存的字典中读取，label信息也是用这个文件中读取。

from torch.utils import data

import numpy as np

from PIL import Image

class face_dataset(data.Dataset):

def __init__(self,label_dict):

self.file_path = './data/faces/'

self.label_dict=label_dict

def __getitem__(self,index):

label = list(self.label_dict.values())[index-1]

img_id = list(self.label_dict.keys())[index-1]

img_path = self.file_path+str(img_id)+".jpg"

img = np.array(Image.open(img_path))

return img,label

def __len__(self):

return len(self.label_dict)

Iterable式数据集

一个Iterable（迭代）式数据集是抽象类data.IterableDataset的子类，并且覆写了iter方法成为一个迭代器。这种数据集主要用于数据大小未知，或者以流的形式的输入，本地文件不固定的情况，需要以迭代的方式来获取样本索引。

小结

在实际的应用中，可以根据具体的任务或调用API，或自己重写数据集类，一般会在创建数据集的步骤中将数据变换列表transforms作为参数写进去，直接对数据进行变换处理。

数据样本加载DataLoader

创建完成数据集dataset后，还不能直接用于网络训练，下一步需要构建迭代器DataLoader作为网络训练时读取数据的方式，而数据集dataset是DataLoader实例化的一个参数。一般格式为：

train_dataloader=DataLoader(train_dataset,batch_size=16,shuffle=True)

Dataloader的一些常用参数

Dataloader的一些重要的参数如下，除了第一个 dataset参数外，一般会设置batch_size，shuffle，其他均视情况可选：

dataset（第一个参数，必须的参数）：一个 Dataset的实例，即前面三种方式创建传入的数据集（或者其他可迭代对象）
batch_size：整数值，每个 batch的样本数量，即 batch大小，默认为1
shuffle：bool值，如果设置为 True，则在每个 epoch开始的时候，会对数据集的数据进行重新排序，默认 False
sampler：传入一个自定义的 Sampler实例，定义从数据集中取样本的策略，Sampler每次返回一个索引，默认为 None
batch_sampler：也是传入一个自定义的 Sampler实例，但是与 sampler参数不同的是，它接收的 Sampler是一次返回一个 batch的索引，默认为 None
num_workers：整数值，定义有几个进程来处理数据。0意味着所有的数据都会被加载进主进程，默认0
collate_fn：传入一个函数，它的作用是将一个 batch的样本打包成一个大的 tensor，tensor的第一维就是这些样本，如果没有特殊需求可以保持默认即可（后边会详细介绍）
pin_memory：bool值，如果为 True，那么将加载的数据拷贝到 CUDA中的固定内存中。
drop_last：bool值，如果为 True，则对最后的一个 batch来说，如果不足 batch_size个样本了就舍弃，如果为 False，也会继续正常执行，只是最后的一个 batch可能会小一点（剩多少算多少），默认 False
timeout：如果是正数，表明等待从加载一个 batch等待的时间，若超出设定的时间还没有加载完，就放弃这个 batch，如果是0，表示不设置限制时间。默认为0

Dataloader参数之间的互斥

值得注意的是，Dataloader的参数之间存在互斥的情况，这些初步了解即可。主要针对自己定义的采样器：

sampler：如果自行指定了 sampler参数，则 shuffle必须保持默认值，即 False
batch_sampler：如果自行指定了 batch_sampler参数，则 batch_size、shuffle、sampler、drop_last 都必须保持默认值
如果没有指定自己是采样器，那么默认的情况下（即 sampler和 batch_sampler均为 None的情况下），Dataloader的采样策略是如何的呢：
sampler：shuffle = True：sampler采用 RandomSampler，即随机采样

shuffle = Flase：sampler采用 SequentialSampler，即按照顺序采样

batch_sampler：采用 BatchSampler，即根据 batch_size 进行 batch采样

Sampler类是一个很抽象的父类，其主要用于设置从一个序列中返回样本的规则，即采样的规则。

Dataloader其实还有一个比较重要的参数是 collate_fn，它接收一个 callable对象，比如一个函数，它的作用是将每次迭代出来的数据打包成 batch。

举个例子，如果我们在 Dataloader中设置了 batch_size为8，实际上，从 Dataloader所读取的数据集Dataset中取出数据时得到的是单独的数据，比如我们的例子中，每次采样得到一个 tuple：(image, label)，因此 collate_fn 的作用就有了，它负责包装 batch，即每从数据集中抽出8个这样的 tuple，它负责把8个 (image, label)包装成一个 list: [images, labels]，这个 list有两个元素，每一个是一个 tensor，比如第一个元素，实际上是一个 8×size(image) 的tensor，即给原来的数据增加了一维，也就是最前边的 batch的维度，labels也同理。

有时候我们可能会需要实现自己的包装逻辑，所以需要自定义一个函数来完成定制化的如上的内容，只要将该函数名传递给 collate_fn参数即可。

DataLoader读取数据样本的流程

综上，概括一下DataLoader读取数据样本的流程：

DataLoader首先创建一个迭代器DataloaderIter，

然后这个迭代器会去访问Sampler得到读取数据的索引值；

根据这个索引值去访问创建好的数据集DataSet；

利用DataSet的getitem函数读取对应索引值的样本数据；

然后利用collate_fn将独立的样本数据打包成batch_size大小的Batch Data。

深度学习数据集的创建与读取流程

而整个PyTorch中深度学习数据读取的流程是这样的：

1. 创建Dateset

2. Dataset传递给DataLoader

3. DataLoader迭代产生训练数据提供给模型

对应的一般都会有这三部分代码

# 创建Dateset(可以自定义)

dataset = face_dataset # Dataset部分自定义过的face_dataset

# Dataset传递给DataLoader

dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset,batch_size=64,shuffle=False,num_workers=8)

# DataLoader迭代产生训练数据提供给模型

for i in range(epoch):

for index,(img,label) in enumerate(dataloader):

pass

到这里应该就PyTorch的数据集和数据传递机制应该就比较清晰明了了。Dataset负责建立索引到样本的映射，DataLoader负责以特定的方式从数据集中迭代的产生一个个batch的样本集合。在enumerate过程中实际上是dataloader按照其参数sampler规定的策略调用了其dataset的getitem方法。其中，还会涉及数据的变化形式。