【深度学习计算机视觉】06：目标检测数据集

【作者主页】Francek Chen
【专栏介绍】$\lceil$PyTorch深度学习$\rfloor$ 深度学习 (DL, Deep Learning) 特指基于深层神经网络模型和方法的机器学习。它是在统计机器学习、人工神经网络等算法模型基础上，结合当代大数据和大算力的发展而发展出来的。深度学习最重要的技术特征是具有自动提取特征的能力。神经网络算法、算力和数据是开展深度学习的三要素。深度学习在计算机视觉、自然语言处理、多模态数据分析、科学探索等领域都取得了很多成果。本专栏介绍基于PyTorch的深度学习算法实现。
【GitCode】专栏资源保存在我的GitCode仓库：https://gitcode.com/Morse_Chen/PyTorch_deep_learning。

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  目标检测领域没有像MNIST和Fashion-MNIST那样的小数据集。为了快速测试目标检测模型，我们收集并标记了一个小型数据集。首先，我们拍摄了一组香蕉的照片，并生成了1000张不同角度和大小的香蕉图像。然后，我们在一些背景图片的随机位置上放一张香蕉的图像。最后，我们在图片上为这些香蕉标记了边界框。

一、下载数据集

  包含所有图像和CSV标签文件的香蕉检测数据集可以直接从互联网下载。

%matplotlib inline
import os
import pandas as pd
import torch
import torchvision
from d2l import torch as d2l

#@save
d2l.DATA_HUB['banana-detection'] = (d2l.DATA_URL + 'banana-detection.zip','5de26c8fce5ccdea9f91267273464dc968d20d72')

二、读取数据集

  通过read_data_bananas函数，我们读取香蕉检测数据集。该数据集包括一个的CSV文件，内含目标类别标签和位于左上角和右下角的真实边界框坐标。

#@save
def read_data_bananas(is_train=True):"""读取香蕉检测数据集中的图像和标签"""data_dir = d2l.download_extract('banana-detection')csv_fname = os.path.join(data_dir, 'bananas_train' if is_trainelse 'bananas_val', 'label.csv')csv_data = pd.read_csv(csv_fname)csv_data = csv_data.set_index('img_name')images, targets = [], []for img_name, target in csv_data.iterrows():images.append(torchvision.io.read_image(os.path.join(data_dir, 'bananas_train' if is_train else'bananas_val', 'images', f'{img_name}')))# 这里的target包含（类别，左上角x，左上角y，右下角x，右下角y），# 其中所有图像都具有相同的香蕉类（索引为0）targets.append(list(target))return images, torch.tensor(targets).unsqueeze(1) / 256

  通过使用read_data_bananas函数读取图像和标签，以下BananasDataset类别将允许我们创建一个自定义Dataset实例来加载香蕉检测数据集。

#@save
class BananasDataset(torch.utils.data.Dataset):"""一个用于加载香蕉检测数据集的自定义数据集"""def __init__(self, is_train):self.features, self.labels = read_data_bananas(is_train)print('read ' + str(len(self.features)) + (f' training examples' ifis_train else f' validation examples'))def __getitem__(self, idx):return (self.features[idx].float(), self.labels[idx])def __len__(self):return len(self.features)

  最后，我们定义load_data_bananas函数，来为训练集和测试集返回两个数据加载器实例。对于测试集，无须按随机顺序读取它。

#@save
def load_data_bananas(batch_size):"""加载香蕉检测数据集"""train_iter = torch.utils.data.DataLoader(BananasDataset(is_train=True),batch_size, shuffle=True)val_iter = torch.utils.data.DataLoader(BananasDataset(is_train=False),batch_size)return train_iter, val_iter

  让我们读取一个小批量，并打印其中的图像和标签的形状。图像的小批量的形状为（批量大小、通道数、高度、宽度），看起来很眼熟：它与我们之前图像分类任务中的相同。标签的小批量的形状为（批量大小，$m$，5），其中$m$是数据集的任何图像中边界框可能出现的最大数量。

  小批量计算虽然高效，但它要求每张图像含有相同数量的边界框，以便放在同一个批量中。通常来说，图像可能拥有不同数量个边界框；因此，在达到$m$之前，边界框少于$m$的图像将被非法边界框填充。这样，每个边界框的标签将被长度为5的数组表示。数组中的第一个元素是边界框中对象的类别，其中-1表示用于填充的非法边界框。数组的其余四个元素是边界框左上角和右下角的（$x$，$y$）坐标值（值域在0～1之间）。对于香蕉数据集而言，由于每张图像上只有一个边界框，因此$m=1$。

batch_size, edge_size = 32, 256
train_iter, _ = load_data_bananas(batch_size)
batch = next(iter(train_iter))
batch[0].shape, batch[1].shape

三、演示

  让我们展示10幅带有真实边界框的图像。我们可以看到在所有这些图像中香蕉的旋转角度、大小和位置都有所不同。当然，这只是一个简单的人工数据集，实践中真实世界的数据集通常要复杂得多。

imgs = (batch[0][0:10].permute(0, 2, 3, 1)) / 255
axes = d2l.show_images(imgs, 2, 5, scale=2)
for ax, label in zip(axes, batch[1][0:10]):d2l.show_bboxes(ax, [label[0][1:5] * edge_size], colors=['w'])

小结

• 我们收集的香蕉检测数据集可用于演示目标检测模型。
• 用于目标检测的数据加载与图像分类的数据加载类似。但是，在目标检测中，标签还包含真实边界框的信息，它不出现在图像分类中。