DataAugmentation.md

# 数据增强分类实战
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本节将基于 ImageNet-1K 的数据集详细介绍数据增强实验，如果想快速体验此方法，可以参考 [**30 分钟玩转 PaddleClas（进阶版）**](../quick_start/quick_start_classification_professional.md)中基于 CIFAR100 的数据增强实验。如果想了解相关算法的内容，请参考[数据增强算法介绍](../algorithm_introduction/DataAugmentation.md)。


## 目录

- [1. 参数配置](#1)
    - [1.1 AutoAugment](#1.1)
    - [1.2 RandAugment](#1.2)
    - [1.3 TimmAutoAugment](#1.3)
    - [1.4 Cutout](#1.4)
    - [1.5 RandomErasing](#1.5)
    - [1.6 HideAndSeek](#1.6)
    - [1.7 GridMask](#1.7)
    - [1.8 Mixup](#1.8)
    - [1.9 Cutmix](#1.9)
    - [1.10 Mixup 与 Cutmix 同时使用](#1.10)
- [2. 启动命令](#2)
- [3. 注意事项](#3)
- [4. 实验结果](#4)

<a name="1"></a>
## 1. 参数配置

由于不同的数据增强方式含有不同的超参数，为了便于理解和使用，我们在 `configs/DataAugment` 里分别列举了  8 种训练 ResNet50 的数据增强方式的参数配置文件，用户可以在 `tools/run.sh` 里直接替换配置文件的路径即可使用。此处分别挑选了图像变换、图像裁剪、图像混叠中的一个示例展示，其他参数配置用户可以自查配置文件。

<a name="1.1"></a>
### 1.1 AutoAugment

`AotoAugment` 的图像增广方式的配置如下。`AutoAugment` 是在 uint8 的数据格式上转换的，所以其处理过程应该放在归一化操作(`NormalizeImage`)之前。

```yaml        
      transform_ops:
        - DecodeImage:
            to_rgb: True
            channel_first: False
        - RandCropImage:
            size: 224
        - RandFlipImage:
            flip_code: 1
        - AutoAugment:
        - NormalizeImage:
            scale: 1.0/255.0
            mean: [0.485, 0.456, 0.406]
            std: [0.229, 0.224, 0.225]
            order: ''
```

<a name="1.2"></a>
### 1.2 RandAugment

`RandAugment` 的图像增广方式的配置如下，其中用户需要指定其中的参数 `num_layers` 与 `magnitude`，默认的数值分别是 `2` 和 `5`。`RandAugment` 是在 uint8 的数据格式上转换的，所以其处理过程应该放在归一化操作(`NormalizeImage`)之前。

```yaml        
      transform_ops:
        - DecodeImage:
            to_rgb: True
            channel_first: False
        - RandCropImage:
            size: 224
        - RandFlipImage:
            flip_code: 1
        - RandAugment:
            num_layers: 2
            magnitude: 5
        - NormalizeImage:
            scale: 1.0/255.0
            mean: [0.485, 0.456, 0.406]
            std: [0.229, 0.224, 0.225]
            order: ''
```

<a name="1.3"></a>
### 1.3 TimmAutoAugment

`TimmAutoAugment` 的图像增广方式的配置如下，其中用户需要指定其中的参数 `config_str`、`interpolation`、`img_size`，默认的数值分别是 `rand-m9-mstd0.5-inc1`、`bicubic`、`224`。`TimmAutoAugment` 是在 uint8 的数据格式上转换的，所以其处理过程应该放在归一化操作(`NormalizeImage`)之前。

```yaml        
      transform_ops:
        - DecodeImage:
            to_rgb: True
            channel_first: False
        - RandCropImage:
            size: 224
        - RandFlipImage:
            flip_code: 1
        - TimmAutoAugment:
            config_str: rand-m9-mstd0.5-inc1
            interpolation: bicubic
            img_size: 224
        - NormalizeImage:
            scale: 1.0/255.0
            mean: [0.485, 0.456, 0.406]
            std: [0.229, 0.224, 0.225]
            order: ''
```

<a name="1.4"></a>
### 1.4 Cutout

`Cutout` 的图像增广方式的配置如下，其中用户需要指定其中的参数 `n_holes` 与 `length`，默认的数值分别是 `1` 和 `112`。类似其他图像裁剪类的数据增强方式，`Cutout` 既可以在 uint8 格式的数据上操作，也可以在归一化)(`NormalizeImage`)后的数据上操作，此处给出的是在归一化后的操作。

```yaml
      transform_ops:
        - DecodeImage:
            to_rgb: True
            channel_first: False
        - RandCropImage:
            size: 224
        - RandFlipImage:
            flip_code: 1
        - NormalizeImage:
            scale: 1.0/255.0
            mean: [0.485, 0.456, 0.406]
            std: [0.229, 0.224, 0.225]
            order: ''
        - Cutout:
            n_holes: 1
            length: 112
```

<a name="1.5"></a>
### 1.5 RandomErasing

`RandomErasing` 的图像增广方式的配置如下，其中用户需要指定其中的参数 `EPSILON`、`sl`、`sh`、`r1`、`attempt`、`use_log_aspect`、`mode`，默认的数值分别是 `0.25`、`0.02`、`1.0/3.0`、`0.3`、`10`、`True`、`pixel`。类似其他图像裁剪类的数据增强方式，`RandomErasing` 既可以在 uint8 格式的数据上操作，也可以在归一化(`NormalizeImage`)后的数据上操作，此处给出的是在归一化后的操作。

```yaml
      transform_ops:
        - DecodeImage:
            to_rgb: True
            channel_first: False
        - RandCropImage:
            size: 224
        - RandFlipImage:
            flip_code: 1
        - NormalizeImage:
            scale: 1.0/255.0
            mean: [0.485, 0.456, 0.406]
            std: [0.229, 0.224, 0.225]
            order: ''
        - RandomErasing:
            EPSILON: 0.25
            sl: 0.02
            sh: 1.0/3.0
            r1: 0.3
            attempt: 10
            use_log_aspect: True
            mode: pixel
```

<a name="1.6"></a>
### 1.6 HideAndSeek

`HideAndSeek` 的图像增广方式的配置如下。类似其他图像裁剪类的数据增强方式，`HideAndSeek` 既可以在 uint8 格式的数据上操作，也可以在归一化(`NormalizeImage`)后的数据上操作，此处给出的是在归一化后的操作。

```yaml
      transform_ops:
        - DecodeImage:
            to_rgb: True
            channel_first: False
        - RandCropImage:
            size: 224
        - RandFlipImage:
            flip_code: 1
        - NormalizeImage:
            scale: 1.0/255.0
            mean: [0.485, 0.456, 0.406]
            std: [0.229, 0.224, 0.225]
            order: ''
        - HideAndSeek:
```

<a name="1.7"></a>

### 1.7 GridMask

`GridMask` 的图像增广方式的配置如下,其中用户需要指定其中的参数 `d1`、`d2`、`rotate`、`ratio`、`mode`, 默认的数值分别是 `96`、`224`、`1`、`0.5`、`0`。类似其他图像裁剪类的数据增强方式，`GridMask` 既可以在 uint8 格式的数据上操作，也可以在归一化(`NormalizeImage`)后的数据上操作，此处给出的是在归一化后的操作。

```yaml
      transform_ops:
        - DecodeImage:
            to_rgb: True
            channel_first: False
        - RandCropImage:
            size: 224
        - RandFlipImage:
            flip_code: 1
        - NormalizeImage:
            scale: 1.0/255.0
            mean: [0.485, 0.456, 0.406]
            std: [0.229, 0.224, 0.225]
            order: ''
        - GridMask:
            d1: 96
            d2: 224
            rotate: 1
            ratio: 0.5
            mode: 0
```

<a name="1.8"></a>
### 1.8 Mixup

`Mixup` 的图像增广方式的配置如下，其中用户需要指定其中的参数 `alpha`，默认的数值是 `0.2`。类似其他图像混合类的数据增强方式，`Mixup` 是在图像做完数据处理后将每个 batch 内的数据做图像混叠，将混叠后的图像和标签输入网络中训练，所以其是在图像数据处理（图像变换、图像裁剪）后操作。

```yaml
      transform_ops:
        - DecodeImage:
            to_rgb: True
            channel_first: False
        - RandCropImage:
            size: 224
        - RandFlipImage:
            flip_code: 1
        - NormalizeImage:
            scale: 1.0/255.0
            mean: [0.485, 0.456, 0.406]
            std: [0.229, 0.224, 0.225]
            order: ''
      batch_transform_ops:
        - MixupOperator:
            alpha: 0.2
```

<a name="1.9"></a>
### 1.9 Cutmix

`Cutmix` 的图像增广方式的配置如下，其中用户需要指定其中的参数 `alpha`，默认的数值是 `0.2`。类似其他图像混合类的数据增强方式，`Cutmix` 是在图像做完数据处理后将每个 batch 内的数据做图像混叠，将混叠后的图像和标签输入网络中训练，所以其是在图像数据处理（图像变换、图像裁剪）后操作。

```yaml
      transform_ops:
        - DecodeImage:
            to_rgb: True
            channel_first: False
        - RandCropImage:
            size: 224
        - RandFlipImage:
            flip_code: 1
        - NormalizeImage:
            scale: 1.0/255.0
            mean: [0.485, 0.456, 0.406]
            std: [0.229, 0.224, 0.225]
            order: ''
      batch_transform_ops:
        - CutmixOperator:
            alpha: 0.2
```

<a name="1.10"></a>
### 1.10 Mixup 与 Cutmix 同时使用

`Mixup` 与 `Cutmix` 同时使用的配置如下，其中用户需要指定额外的参数 `prob`，该参数控制不同数据增强的概率，默认为 `0.5`。

```yaml
      transform_ops:
        - DecodeImage:
            to_rgb: True
            channel_first: False
        - RandCropImage:
            size: 224
        - RandFlipImage:
            flip_code: 1
        - NormalizeImage:
            scale: 1.0/255.0
            mean: [0.485, 0.456, 0.406]
            std: [0.229, 0.224, 0.225]
            order: ''
        - OpSampler:
            MixupOperator:
              alpha: 0.8
              prob: 0.5
            CutmixOperator:
              alpha: 1.0
              prob: 0.5
```

<a name="2"></a>
## 2. 启动命令

当用户配置完训练环境后，类似于训练其他分类任务，只需要将 `tools/train.sh` 中的配置文件替换成为相应的数据增强方式的配置文件即可。

其中 `train.sh` 中的内容如下：

```bash

python3 -m paddle.distributed.launch \
    --selected_gpus="0,1,2,3" \
    --log_dir=ResNet50_Cutout \
    tools/train.py \
        -c ./ppcls/configs/ImageNet/DataAugment/ResNet50_Cutout.yaml
```

运行 `train.sh`：

```bash
sh tools/train.sh
```

<a name="3"></a>
## 3. 注意事项

* 由于图像混叠时需对 label 进行混叠，无法计算训练数据的准确率，所以在训练过程中没有打印训练准确率。

* 在使用数据增强后，由于训练数据更难，所以训练损失函数可能较大，训练集的准确率相对较低，但其有拥更好的泛化能力，所以验证集的准确率相对较高。

* 在使用数据增强后，模型可能会趋于欠拟合状态，建议可以适当的调小 `l2_decay` 的值来获得更高的验证集准确率。

* 几乎每一类图像增强均含有超参数，我们只提供了基于 ImageNet-1k 的超参数，其他数据集需要用户自己调试超参数，具体超参数的含义用户可以阅读相关的论文，调试方法也可以参考训练技巧的章节。

<a name="4"></a>
## 4. 实验结果

基于 PaddleClas，在 ImageNet1k 数据集上的分类精度如下。

| 模型          | 初始学习率策略  | l2 decay | batch size | epoch | 数据变化策略         | Top1 Acc    | 论文中结论 |
|-------------|------------------|--------------|------------|-------|----------------|------------|----|
| ResNet50 | 0.1/cosine_decay | 0.0001       | 256        | 300   | 标准变换           | 0.7731 | - |
| ResNet50 | 0.1/cosine_decay | 0.0001       | 256        | 300   | AutoAugment    | 0.7795 |  0.7763 |
| ResNet50 | 0.1/cosine_decay | 0.0001       | 256        | 300   | mixup          | 0.7828 |  0.7790 |
| ResNet50 | 0.1/cosine_decay | 0.0001       | 256        | 300   | cutmix         | 0.7839 |  0.7860 |
| ResNet50 | 0.1/cosine_decay | 0.0001       | 256        | 300   | cutout         | 0.7801 |  - |
| ResNet50 | 0.1/cosine_decay | 0.0001       | 256        | 300   | gridmask       | 0.7785 |  0.7790 |
| ResNet50 | 0.1/cosine_decay | 0.0001       | 256        | 300   | random-augment | 0.7770 |  0.7760 |
| ResNet50 | 0.1/cosine_decay | 0.0001       | 256        | 300   | random erasing | 0.7791 |  - |
| ResNet50 | 0.1/cosine_decay | 0.0001       | 256        | 300   | hide and seek  | 0.7743 |  0.7720 |

**注意**：
* 在这里的实验中，为了便于对比，我们将 l2 decay 固定设置为 1e-4，在实际使用中，我们推荐尝试使用更小的 l2 decay。结合数据增强，我们发现将 l2 decay 由 1e-4 减小为 7e-5 均能带来至少 0.3~0.5% 的精度提升。
* 我们目前尚未对不同策略进行组合并验证效果，这一块后续我们会开展更多的对比实验，敬请期待。