• Tensorflow图像处理


    Tensorflow图像处理

    主要内容如下:

    • 加载图像
    • 图像格式
    • 图像转换为TFRecord格式
    • 读取TFRecord文件
    • 图像处理
    • 数据读取方式Dataset API

    一.加载图像

    Tensorflow对图像文件的加载和对二进制文件的加载相同,只是图像的内容需要解码.这里介绍常用的两种方式:第一种是把图片看作一个图片直接读进来,获取图片的原始数据,再进行解码;如使用tf.gfile.FastGFile()读取图像文件,然后,利用tf.image.decode_jpeg()或"tf.image.decode_pgn()"进行解码.代码如下:

    import matplotlib.pyplot as plt
    import tensorflow as tf
    %matplotlib inline
    
    image_raw_data_jpg=tf.gfile.FastGFile("./data/image/cat/cat.jpg","rb").read()
    
    with tf.Session() as session:
        img_data=tf.image.decode_jpeg(image_raw_data_jpg)
        
        # 图像显示
        plt.figure(1)
        
        # 显示图像矩阵
        print(session.run(img_data))
        plt.imshow(img_data.eval())
    
    [[[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     ...
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]]
    

    output_5_1.png

    第一种方法不太适合读取批量数据,批量读取可以采用另一种方法,这种方法他图像看成一个文件,用队列的方式读取.在Tensorflow中,队列不仅是一种数据结构,更提供了多线程机制.首先,使用tf.train.string_input_producer找到所需文件,并将其加载到一个队列中,然后使用tf.WholeFileReader()把完整的文件加载到内存中,用read从队列中读取图像文件,最后用tf.image.decode_jpeg()或"tf.image.decode_png()"进行解码.代码如下:

    import tensorflow as tf
    
    path="./data/image/cat/cat.jpg"
    
    # 创建输入队列
    file_queue=tf.train.string_input_producer([path])
    
    image_reader=tf.WholeFileReader()
    
    _,image=image_reader.read(file_queue)
    
    image=tf.image.decode_jpeg(image)
    
    with tf.Session() as session:
        # 协同启动的线程
        coord=tf.train.Coordinator()
        # 启动线程运行队列
        threads=tf.train.start_queue_runners(sess=session,coord=coord)
        print(session.run(image))
        
        # 停止所有的线程
        coord.request_stop()
        coord.join(threads)
    
    [[[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     ...
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]]
    

    二.图像格式

    图像中的重要信息通过某种恰当的文件格式存储.在使用图像时,不同的格式可用于解决不同的问题.Tensorflow支持多种图像格式,常用的包括JPEG,PNG,TFRecord图像格式

    1.JPEG和PNG

    Tensorflow支持JPEG,PNG两种图像格式,这里以这两种为代表,是因为将其他格式转换为这两种格式非常容易.JPEG格式图像使用tf.image.decode_jpeg()解码,PNG格式图像使用tf.image.decode_png解码

    2.TFRecord

    对于大量的图像数据,Tensorflow采用TFRecord格式,将图像数据和图像的标签数据以二进制形式无压缩方式存储在TFRecord文件中,这样其可以被快速载入内存,方便移动,复制和处理.TFRecord文件中的数据都是通过tf.train.ExampleProtocol Buffer的格式存储的

    message Example{
        Features features=1;
    };
    
    message Features{
        map<string,Feature> feature=1;
    };
    
    message Feature{
        oneof kind{
            ByteList bytes_list=1;
            FloatList float_list=2;
            Int64List int64_list=3;
        }
    };
    

    tf.train.Example中包含了一个从属性名称到取值的字典.其中属性名称为一个字符串,属性的取值可以为字符串(BytesList),实数列表(FloatList)或者整数列表(Int64List).BytesList存放图像数据,Int64List存放图像的标签对应的整数

    三.图像转换为TFRecord文件

    把图像转换成TFRecord格式的文件就是把图像数据和图像标签的数据按tf.train.Example数据结构存储成二进制文件的过程.假设我们已经按图像标签吧若干张猫的图像和若干张狗的图片分别存在了以下目录:"./data/image/cat/“和”./data/image/dog/",以下代码可以把这些图片转换成TFRecord文件cat_dog.tfrecord,存放在"./data"目录下

    import os
    import tensorflow as tf
    from PIL import Image  # 处理图像包
    import numpy as np
    
    
    folder="./data/image/"
    savefolder="./data/"
    
    # 设定图像类别标签,标签名称和对应目录名相同
    label={"cat","dog"}
    
    # 生成的文件
    writer=tf.python_io.TFRecordWriter(savefolder+"cat_dog.tfrecords")
    
    # 记录图像的个数
    count=0
    
    for index,name in enumerate(label):
        folder_path=folder+name+"/"
        for img_name in os.listdir(folder_path):
            # 每一个图片的完整访问路径
            img_path=folder_path+img_name
            img=Image.open(img_path)
            img=img.resize((128,128))
            # 将图片转化为二进制格式
            img_raw=img.tobytes()
            
            # example对象对label和image数据进行封装
            example=tf.train.Example(features=tf.train.Features(feature={
                "label":tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[index])),
                "img_raw":tf.train.Feature(bytes_list=tf.train.BytesList(value=[img_raw]))
            }))
            
            # 序列化为字符串
            writer.write(example.SerializeToString())
            count=count+1
    writer.close()
    

    四.读取TFRecord文件

    读取TFRecord文件首先采用输入生成器(tf.train.string_input_producer)将其加载到一个队列,然后读出(tf.TFRecordReader)并将(tf.parse_single_example)Example对象拆解为图像数据和标签数据,最后对图像数据解码并保持成JPG文件

    # 定义数据流队列
    filename_queue=tf.train.string_input_producer([savefolder+"cat_dog.tfrecords"])
    
    reader=tf.TFRecordReader()
    
    # 返回文件名和文件
    _,serialized_example=reader.read(filename_queue)
    
    features=tf.parse_single_example(serialized_example,
                                    features={
                                        "label":tf.FixedLenFeature([],tf.int64),
                                        "img_raw":tf.FixedLenFeature([],tf.string)
                                    })
    
    # 取出包含image和label的feature对象
    image=tf.decode_raw(features["img_raw"],tf.uint8)
    image=tf.reshape(image,[128,128,3])
    label=tf.cast(features["label"],tf.int32)
    
    with tf.Session() as session:
        init_op=tf.initialize_all_variables()
        session.run(init_op)
        coord=tf.train.Coordinator()
        
        # 线程协调器
        threads=tf.train.start_queue_runners(coord=coord)
        # 以多线程的方式启动对队列的处理
        for i in range(count):
            # 在会话中取出image和label
            example,l=session.run([image,label])
            img=Image.fromarray(example,"RGB")
            img.save(folder+str(i)+"_label_"+str(l)+".jpg")
            print(example,l)
            
        coord.request_stop()
        # 等待所有进程结束
        coord.join(threads)
    
    [[[142 143 137]
      [145 146 140]
      [148 149 141]
      ...
      [149 150 119]
      [149 150 119]
      [147 148 116]]
    
     [[142 143 137]
      [142 143 135]
      [142 143 135]
      ...
      [146 146 120]
      [145 145 117]
      [143 143 115]]
    
     [[139 140 132]
      [136 138 127]
      [134 136 125]
      ...
      [142 143 125]
      [141 143 122]
      [139 141 120]]
    
     ...
    
     [[228 227 233]
      [222 221 227]
      [219 218 224]
      ...
      [211 217 229]
      [210 218 229]
      [208 218 227]]
    
     [[220 219 227]
      [223 222 230]
      [227 227 235]
      ...
      [209 219 231]
      [208 220 232]
      [208 221 230]]
    
     [[220 219 227]
      [215 214 222]
      [215 215 225]
      ...
      [208 220 234]
      [209 221 233]
      [209 223 234]]] 0
    [[[ 64  54  44]
      [ 64  54  44]
      [ 64  56  45]
      ...
      [  6   4   5]
      [  2   5  10]
      [  1   5  14]]
    
     [[ 66  56  46]
      [ 67  57  47]
      [ 66  58  47]
      ...
      [  6   4   5]
      [  2   5  10]
      [  1   5  14]]
    
     [[ 69  59  49]
      [ 70  60  50]
      [ 70  62  51]
      ...
      [  6   4   5]
      [  2   5  10]
      [  1   6  12]]
    
     ...
    
     [[110  90  65]
      [107  87  62]
      [107  87  60]
      ...
      [117  95  71]
      [118  97  66]
      [112  92  59]]
    
     [[113  93  68]
      [111  91  66]
      [112  92  65]
      ...
      [120  98  74]
      [121 100  71]
      [113  92  61]]
    
     [[110  90  65]
      [109  89  64]
      [111  91  64]
      ...
      [120  98  74]
      [122 101  72]
      [113  92  61]]] 0
    [[[148 156 158]
      [134 142 144]
      [125 131 131]
      ...
      [ 15  24  21]
      [ 17  26  23]
      [ 18  27  24]]
    
     [[149 157 159]
      [135 143 145]
      [126 132 132]
      ...
      [ 19  28  25]
      [ 20  29  26]
      [ 22  31  28]]
    
     [[154 162 164]
      [139 147 149]
      [129 135 135]
      ...
      [ 22  31  28]
      [ 22  31  28]
      [ 23  32  29]]
    
     ...
    
     [[146 151 154]
      [132 137 140]
      [119 123 124]
      ...
      [ 15  24  21]
      [ 13  22  19]
      [ 16  25  22]]
    
     [[147 152 155]
      [132 137 140]
      [121 125 126]
      ...
      [ 15  24  21]
      [ 13  22  19]
      [ 17  26  23]]
    
     [[140 145 148]
      [126 131 134]
      [115 119 120]
      ...
      [ 18  27  24]
      [ 17  26  23]
      [ 21  30  27]]] 0
    [[[ 16  11   5]
      [ 16  11   5]
      [ 17  12   6]
      ...
      [ 28  15   6]
      [ 29  16   7]
      [ 31  18   9]]
    
     [[ 15  10   4]
      [ 16  11   5]
      [ 17  12   6]
      ...
      [ 28  15   6]
      [ 30  17   8]
      [ 32  19  10]]
    
     [[ 14   9   3]
      [ 15  10   4]
      [ 16  11   5]
      ...
      [ 29  16   7]
      [ 31  18   9]
      [ 33  20  11]]
    
     ...
    
     [[155 116  57]
      [147 108  49]
      [135  96  39]
      ...
      [ 78  48  20]
      [ 79  49  23]
      [ 79  49  25]]
    
     [[134  98  38]
      [142 106  46]
      [152 116  58]
      ...
      [ 83  55  31]
      [ 85  59  36]
      [ 87  60  39]]
    
     [[136 100  40]
      [136 100  40]
      [148 111  56]
      ...
      [ 96  70  47]
      [ 97  72  50]
      [ 99  74  54]]] 0
    [[[206 180 121]
      [199 173 114]
      [194 168 109]
      ...
      [187 163 103]
      [187 163 103]
      [187 163 103]]
    
     [[196 170 111]
      [189 163 104]
      [184 158  99]
      ...
      [178 154  94]
      [177 153  93]
      [177 153  93]]
    
     [[195 169 110]
      [187 161 102]
      [183 157  98]
      ...
      [177 153  93]
      [176 152  92]
      [176 152  92]]
    
     ...
    
     [[ 22  19   4]
      [ 22  19   4]
      [ 22  19   4]
      ...
      [ 14  14   2]
      [ 14  14   2]
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      ...
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     [[  6  10  13]
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     [[  5   9  12]
      [  5   9  12]
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      ...
      [ 18  18  16]
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     ...
    
     [[ 56  46  44]
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      ...
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     ...
    
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     [[ 29  38   9]
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      ...
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     ...
    
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     ...
    
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     ...
    
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     ...
    
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     [[18 23 45]
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      ...
      [19 18 16]
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     [[11 17 41]
      [34 40 64]
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      ...
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     ...
    
     [[25 25 23]
      [24 24 22]
      [19 19 17]
      ...
      [ 7  3  2]
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      [19 15 12]]
    
     [[29 30 25]
      [30 31 26]
      [28 29 24]
      ...
      [10  4  4]
      [16 10 10]
      [25 19 19]]
    
     [[16 17 12]
      [22 23 18]
      [25 26 21]
      ...
      [13  7  7]
      [21 12 13]
      [28 19 20]]] 1
    [[[57 51 51]
      [45 37 34]
      [41 28 22]
      ...
      [26  5  4]
      [16  0  0]
      [24  3  0]]
    
     [[ 5  0  0]
      [ 6  0  0]
      [26 15  9]
      ...
      [26  5  2]
      [34 13 10]
      [19  0  0]]
    
     [[19 15 16]
      [40 35 32]
      [28 19 14]
      ...
      [36 12 10]
      [63 39 37]
      [45 21 17]]
    
     ...
    
     [[13  0  4]
      [11  0  5]
      [ 7  2  8]
      ...
      [18  0  0]
      [17  0  0]
      [20  2  0]]
    
     [[18  0  5]
      [11  0  2]
      [ 4  0  4]
      ...
      [22  3  0]
      [23  4  0]
      [15  0  0]]
    
     [[17  0  2]
      [22  2 11]
      [12  5 12]
      ...
      [25  4  0]
      [34 15 11]
      [46 27 23]]] 1
    [[[ 14  21  39]
      [  0   5  23]
      [  6  15  32]
      ...
      [ 36  48  60]
      [ 34  46  58]
      [ 28  40  52]]
    
     [[ 13  20  38]
      [  1   8  26]
      [  8  17  34]
      ...
      [ 34  46  58]
      [ 31  43  55]
      [ 26  38  50]]
    
     [[  8  15  33]
      [  2   9  27]
      [  6  15  32]
      ...
      [ 33  45  57]
      [ 30  42  54]
      [ 24  36  48]]
    
     ...
    
     [[119 122 127]
      [112 115 120]
      [112 115 120]
      ...
      [ 52  72  70]
      [ 46  66  64]
      [ 86 106 104]]
    
     [[142 145 150]
      [117 120 125]
      [102 105 110]
      ...
      [ 64  86  84]
      [ 55  77  75]
      [ 63  85  83]]
    
     [[137 140 145]
      [120 123 128]
      [112 115 120]
      ...
      [ 50  72  70]
      [ 63  85  83]
      [ 53  75  73]]] 1
    [[[ 61  83  62]
      [ 68  90  69]
      [ 74  96  75]
      ...
      [109 135 100]
      [107 134  99]
      [104 131  96]]
    
     [[ 64  86  65]
      [ 68  90  69]
      [ 72  94  73]
      ...
      [110 136 101]
      [107 134  99]
      [105 132  97]]
    
     [[ 67  89  68]
      [ 69  91  70]
      [ 71  93  72]
      ...
      [112 138 103]
      [112 139 104]
      [112 139 104]]
    
     ...
    
     [[118 138 110]
      [116 136 108]
      [108 128 100]
      ...
      [ 86 110  88]
      [ 81 104  84]
      [ 80 103  83]]
    
     [[106 127  96]
      [112 133 102]
      [114 135 104]
      ...
      [ 93 117  95]
      [ 87 110  90]
      [ 78 101  81]]
    
     [[ 82 103  72]
      [ 94 115  84]
      [103 124  93]
      ...
      [ 96 120  98]
      [102 125 105]
      [100 123 103]]] 1
    [[[ 78  74  29]
      [ 80  76  31]
      [ 61  57  10]
      ...
      [  3  25  22]
      [ 19  41  38]
      [ 32  54  51]]
    
     [[ 82  78  33]
      [ 88  84  39]
      [ 80  76  29]
      ...
      [  8  30  27]
      [ 12  34  31]
      [ 30  52  49]]
    
     [[ 64  60  15]
      [ 71  67  22]
      [ 78  74  29]
      ...
      [ 42  63  58]
      [ 24  45  40]
      [ 25  46  41]]
    
     ...
    
     [[146 132 106]
      [151 137 111]
      [155 141 115]
      ...
      [114 105  72]
      [121 115  81]
      [113 107  73]]
    
     [[141 129 105]
      [147 135 111]
      [153 139 113]
      ...
      [ 97  88  55]
      [103  97  63]
      [100  94  60]]
    
     [[142 130 106]
      [148 136 112]
      [153 139 113]
      ...
      [134 125  92]
      [129 123  89]
      [118 112  78]]] 1
    [[[123 121 109]
      [133 131 119]
      [ 87  80  70]
      ...
      [122 108  97]
      [155 141 130]
      [136 122 111]]
    
     [[ 95  93  81]
      [ 96  92  81]
      [ 79  72  62]
      ...
      [136 122 111]
      [136 122 111]
      [111  97  86]]
    
     [[ 95  91  80]
      [ 48  44  33]
      [104  97  87]
      ...
      [ 55  41  30]
      [162 148 137]
      [130 116 105]]
    
     ...
    
     [[114 100  91]
      [ 46  32  23]
      [ 97  83  74]
      ...
      [151 163 143]
      [ 73  82  63]
      [114 121 103]]
    
     [[180 166 157]
      [151 137 128]
      [ 92  78  69]
      ...
      [152 164 144]
      [ 50  59  40]
      [130 139 120]]
    
     [[107  93  84]
      [ 14   0   0]
      [198 184 175]
      ...
      [ 77  90  70]
      [100 109  90]
      [100 109  90]]] 1
    [[[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     ...
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [253 255 254]
      [253 255 254]
      [253 255 254]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]
    
     [[255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      ...
      [255 255 255]
      [255 255 255]
      [255 255 255]]] 1
    
    from IPython.display import Image
    
    Image(filename="./data/image/cat/cat.jpg",width=600)
    

    output_24_0.jpeg

    五.图像处理序列

    利用tf.imageAPI,该API包含了很多图像处理的函数.代码基于一个600*600大小的猫的图像

    1.调整大小

    image_raw_data=tf.gfile.FastGFile("./data/image/cat/cat.jpg","rb").read()
    img_data=tf.image.decode_jpeg(image_raw_data)
    
    with tf.Session() as session:
        resized=tf.image.resize_images(img_data,[300,300],method=0)
        cat=np.asarray(resized.eval(),dtype="uint8")
        plt.imshow(cat)
        plt.show()
    

    output_28_0.png

    2.裁剪和填充图像

    with tf.Session() as session:
        croped=tf.image.resize_image_with_crop_or_pad(img_data,300,300)
        padded=tf.image.resize_image_with_crop_or_pad(img_data,3000,3000)
        plt.imshow(croped.eval())
        plt.show()
        plt.imshow(padded.eval())
        plt.show()
    

    output_30_1.png

    output_30_2.png

    3.对角线翻转图像

    with tf.Session() as session:
        transposed=tf.image.transpose_image(img_data)
        plt.imshow(transposed.eval())
        plt.show()
    

    output_32_0.png

    4.色彩调整

    with tf.Session() as session:
        adjusted=tf.image.random_brightness(img_data,max_delta=0.5)
        plt.imshow(adjusted.eval())
        plt.show()
    

    output_34_0.png

    5.色调饱和度

    with tf.Session() as session:
        adjusted=tf.image.adjust_hue(img_data,0.1)
        plt.imshow(adjusted.eval())
        plt.show()
    

    output_36_0.png

    六.数据读取方式–Dataset API

    1.构建Dataset

    tf.data.Dataset.from_tensor_slices()

    利用tf.data.Dataset.from_tensor_slices()从一个或多个tf.Tensor对象中构建一个dataset,其tf.Tensor对象中包括数组,矩阵,字典,元组等.具体实例如下:

    import tensorflow as tf
    import numpy as np
    
    arry1=np.array([1.0,2.0,3.0,4.0,5.0])
    dataset=tf.data.Dataset.from_tensor_slices(arry1)
    
    iterator=dataset.make_one_shot_iterator()
    
    one_element=iterator.get_next()
    
    with tf.Session() as session:
        for i in range(len(arry1)):
            print(session.run(one_element))
    
    1.0
    2.0
    3.0
    4.0
    5.0
    

    Dataset的转换(transformations)

    datasets支持任何结构,当使用Dataset.map(),Dataset.flat_map(),以及Dataset.filter()进行转换时,它们会对每个元素应用一个函数,元素结构决定了函数的参数

    import tensorflow as tf
    import numpy as np
    
    a1=np.array([1.0,2.0,3.0,4.0,5.0])
    
    dataset=tf.data.Dataset.from_tensor_slices(a1)
    dataset=dataset.map(lambda x:x**2)
    
    iterator=dataset.make_one_shot_iterator()
    
    one_element=iterator.get_next()
    
    with tf.Session() as session:
        for i in range(len(a1)):
            print(session.run(one_element))
    
    1.0
    4.0
    9.0
    16.0
    25.0
    
    dataset = tf.data.Dataset.range(100)
    iterator = dataset.make_one_shot_iterator()
    next_element = iterator.get_next()
    sess=tf.Session()
    for i in range(100):
      value = sess.run(next_element)
      assert i == value
    #initializable迭代器需要在使用前进行iterator.initializer的操作,虽然不方便,但支持参数化,可以使用一个或多个 tf.placeholder() 在初始化迭代器时占位:
    max_value = tf.placeholder(tf.int64, shape=[])
    dataset = tf.data.Dataset.range(max_value)
    iterator = dataset.make_initializable_iterator()
    next_element = iterator.get_next()
    
    dataset = tf.data.Dataset.range(5)
    iterator = dataset.make_initializable_iterator()
    next_element = iterator.get_next()
    
    result=tf.add(next_element,next_element)
    
    session.run(iterator.initializer)
    
    print(session.run(result))
    print(session.run(result))
    print(session.run(result))
    print(session.run(result))
    print(session.run(result))
    
    try:
        session.run(result)
    except tf.errors.OutOfRangeError:
        print("End of dataset")
    
    0
    2
    4
    6
    8
    End of dataset
    
    import cv2
    
    def _read_py_function
    
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