【数据增强】——弹性变形(Elastic Distortion)

转载自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/342274228
作者:ChenCver

可能应用场景

线性场景的语义分割
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随笔
弹性变形的第二个步骤，和现在语义分割中流行的可学习光流上采样SFnet，采用神经网络来学习随机变化的随机场。

1. 前言

弹性变形数据增强，本人在看Unet论文时第一次接触到，工作中，经常用到语义分割解决问题，发现在针对线分割的问题，经常都会出现中间断裂的情况。后期经过不断工程验证，发现弹性变形这种数据增强有助于解决该问题，弹性变形论文最早是由Patrice等人在2003年ICDAR上发表：《Best Practices for Convolutional Neural Networks Applied to Visual Document Analysis》，本文主要是对其中的弹性变形进行详细讲解。

2. 弹性变形

仿射变换
弹性变形

step1：对图像imageA进行仿射变换(三点法)，得到imageB，关于仿射变换可以看: 马同学；

step2：对imageB图像中的每个像素点随机生成一个在x和y方向的位移，△x和△y。其位移范围在(-1, 1)之间，得到一个随机位移场(random displacement fields);

step3：用服从高斯分布的N(0, δ)对step2中生成的随机位移场进行卷积操作(和CNN中的卷积操作一样，说白了就是滤波操作)。我们知道δ越大，产生的图像越平滑。下图是论文中的不同δ值对随机位移场的影响，下图左上角为原图，右上角为δ较小的情况(可以发现，位移方向非常随机)，左下角和右下角为较大的不同δ值。

step4：用一个控制因子α与随机位移场相乘，用以控制其变形强度；

step5：将随机位移场施加到原图上，具体是怎么施加的呢？首先，生成一个和imageB大小一样的meshgrid网格meshB，网格中的每个值就是像素的坐标，比如说meshgrid网格大小为512x512，则meshgrid中的值为(0, 0), (0, 1), …, (511, 0), (511, 511)，然后将随机位移场和meshB网格相加，这就模拟了imageB中的每个像素点在经过随机位移场的作用后，被偏移的位置，meshB与随机位移场相加后的结果记做imageC。

step6：弹性变形最终输出的imageC中每个位置的灰度值大小，组成一副变形图像，现在imageC中每个像素点存储的是(x+△x, y+△y)，如下图中的A’，那怎么转化成灰度值呢，依据论文，作者是根据imageB中的B位置的双线性插值灰度值作为A’点的像素灰度值大小，最终将imageC输出得到变形图像。

参考代码

# -*- coding:utf-8 -*-
import cv2
import numpy as np
from scipy.ndimage.filters import gaussian_filter
from scipy.ndimage.interpolation import map_coordinatesdef elastic_transform(image, alpha, sigma,alpha_affine, random_state=None):if random_state is None:random_state = np.random.RandomState(None)shape = image.shapeshape_size = shape[:2]# Random affinecenter_square = np.float32(shape_size) // 2square_size = min(shape_size) // 3# pts1: 仿射变换前的点(3个点)pts1 = np.float32([center_square + square_size,[center_square[0] + square_size,center_square[1] - square_size],center_square - square_size])# pts2: 仿射变换后的点pts2 = pts1 + random_state.uniform(-alpha_affine, alpha_affine,size=pts1.shape).astype(np.float32)# 仿射变换矩阵M = cv2.getAffineTransform(pts1, pts2)# 对image进行仿射变换.imageB = cv2.warpAffine(image, M, shape_size[::-1], borderMode=cv2.BORDER_REFLECT_101)# generate random displacement fields# random_state.rand(*shape)会产生一个和shape一样打的服从[0,1]均匀分布的矩阵# *2-1是为了将分布平移到[-1, 1]的区间, alpha是控制变形强度的变形因子dx = gaussian_filter((random_state.rand(*shape) * 2 - 1), sigma) * alphady = gaussian_filter((random_state.rand(*shape) * 2 - 1), sigma) * alpha# generate meshgridx, y = np.meshgrid(np.arange(shape[1]), np.arange(shape[0]))# x+dx,y+dyindices = np.reshape(y + dy, (-1, 1)), np.reshape(x + dx, (-1, 1))# bilinear interpolationimageC = map_coordinates(imageB, indices, order=1, mode='constant').reshape(shape)return imageCif __name__ == '__main__':img_path = '/home/cxj/Desktop/img/8_5_5.png'imageA = cv2.imread(img_path)img_show = imageA.copy()imageA = cv2.cvtColor(imageA, cv2.COLOR_BGR2GRAY)# Apply elastic transform on imageimageC = elastic_transform(imageA, imageA.shape[1] * 2,imageA.shape[1] * 0.08,imageA.shape[1] * 0.08)cv2.namedWindow("img_a", 0)cv2.imshow("img_a", img_show)cv2.namedWindow("img_c", 0)cv2.imshow("img_c", imageC)cv2.waitKey(0)

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/342274228