opencv(4)实现数据增加小工具

数据增加（data augmentation），作为一种深度学习中的常用手段，数据增加对模型的泛化性和准确性都有帮助。数据增加的具体使用方式一般有两种，一种是实时增加，比如在Caffe中加入数据扰动层，每次图像都先经过扰动操作，再去训练，这样训练经过几代（epoch）之后，就等效于数据增加。还有一种是更加直接简单一些的，就是在训练之前就通过图像处理手段对数据样本进行扰动和增加。

常见的扰动有：随机裁剪，随机旋转和随机颜色/明暗。

随机裁剪

在裁剪的时候考虑图像宽高比的扰动。在绝大多数用于分类的图片中，样本进入网络前都是要变为统一大小，所以宽高比扰动相当于对物体的横向和纵向进行了缩放，这样除了物体的位置扰动，又多出了一项扰动。只要变化范围控制合适，目标物体始终在画面内，这种扰动是有助于提升泛化性能的。实现这种裁剪的思路如下图所示：

图中最左边是一幅需要剪裁的画面，首先根据这幅画面我们可以算出一个宽高比w/h。然后设定一个小的扰动范围δ和要裁剪的画面占原画面的比例β，从-到之间按均匀采样，获取一个随机数作为裁剪后画面的宽高比扰动的比例，则裁剪后画面的宽和高分别为：

想象一下先把这个宽为w’，高为h’的区域置于原画面的右下角，则这个区域的左上角和原画面的左上角框出的小区域，如图中的虚线框所示，就是裁剪后区域左上角可以取值的范围。所以在这个区域内随机采一点作为裁剪区域的左上角，就实现了如图中位置随机，且宽高比也随机的裁剪。

随机旋转

做数据增加时，一般希望旋转是沿着画面的中心。这样除了要知道旋转角度，还得计算平移的量才能让仿射变换的效果等效于旋转轴在画面中心，好在OpenCV中有现成的函数cv2.getRotationMatrix2D()可以使用。这个函数的第一个参数是旋转中心，第二个参数是逆时针旋转角度，第三个参数是缩放倍数，对于只是旋转的情况下这个值是1，返回值就是做仿射变换的矩阵。

直接用这个函数并接着使用cv2.warpAffine()会有一个潜在的问题，就是旋转之后会出现黑边。如果要旋转后的画面不包含黑边，就得沿着原来画面的轮廓做个内接矩形，该矩形的宽高比和原画面相同，如下图所示：

在图中，可以看到，限制内接矩形大小的主要是原画面更靠近中心的那条边，也就是图中比较长的一条边AB。因此我们只要沿着中心O和内接矩形的顶点方向的直线，求出和AB的交点P，就得到了内接矩形的大小。先来看长边的方程，考虑之前画面和横轴相交的点，经过角度-θ旋转后，到了图中的Q点所在：

因为长边所在直线过Q点，且斜率为1/tan(θ)，所以有：

这时候考虑OP这条直线：

把这个公式带入再前边一个公式，求解可以得到：

注意到在这个问题中，每个象限和相邻象限都是轴对称的，而且旋转角度对剪裁宽度和长度的影响是周期（T=π）变化，再加上我们关心的其实并不是四个点的位置，而是旋转后要截取的矩形的宽w’和高h’，所以复杂的分区间情况也简化了，首先对于旋转角度，因为周期为π，所以都可以化到0到π之间，然后因为对称性，进一步有：

于是对于0到π/2之间的θ，有：

当然需要注意的是，对于宽高比非常大或者非常小的图片，旋转后如果裁剪往往得到的画面是非常小的一部分，甚至不包含目标物体。所以是否需要旋转，以及是否需要裁剪，如果裁剪角度多少合适，都要视情况而定。

随机颜色和明暗

给HSV空间的每个通道，分别加上一个微小的扰动。其中对于色调，从-到之间按均匀采样，获取一个随机数作为要扰动的值，然后新的像素值x’为原始像素值x +；对于其他两个空间则是新像素值x’为原始像素值x的(1+)倍，从而实现色调，饱和度和明暗度的扰动。

因为明暗度并不会对图像的直方图相对分布产生大的影响，所以在HSV扰动基础上，考虑再加入一个Gamma扰动，方法是设定一个大于1的Gamma值的上限γ，因为这个值通常会和1是一个量级，再用均匀采样的近似未必合适，所以从-logγ到logγ之间均匀采样一个值α，然后用

作为Gamma值进行变换。