旷视MegEngine数据加载与处理
在网络训练与测试中，数据的加载和预处理往往会耗费大量的精力。 MegEngine 提供了一系列接口来规范化这些处理工作。
利用 Dataset 封装一个数据集
数据集是一组数据的集合，例如 MNIST、Cifar10等图像数据集。 Dataset 是 MegEngine 中表示数据集的抽象类。自定义的数据集类应该继承 Dataset 并重写下列方法：
- __init__() ：一般在其中实现读取数据源文件的功能。也可以添加任何其它的必要功能；
- __getitem__() ：通过索引操作来获取数据集中某一个样本，使得可以通过 for 循环来遍历整个数据集；
- __len__() ：返回数据集大小；
下面是一个简单示例。 根据下图所示的二分类数据，创建一个 Dataset 。每个数据是一个二维平面上的点，横坐标和纵坐标在 [-1, 1] 之间。共有两个类别标签（图1中的蓝色 * 和红色 +），标签为0的点处于一、三象限；标签为1的点处于二、四象限。
图1
该数据集的创建过程如下：
- 在 __init__() 中利用 NumPy 随机生成 ndarray 作为数据；
- 在 __getitem__() 中返回 ndarray 中的一个样本；
- 在 __len__() 中返回整个数据集中样本的个数；
import numpy as np
from typing import Tuple
# 导入需要被继承的 Dataset 类
from megengine.data.dataset import Dataset
class XORDataset(Dataset):
def __init__(self, num_points):
"""
生成如图1所示的二分类数据集，数据集长度为 num_points
"""
super().__init__()
# 初始化一个维度为 (50000, 2) 的 NumPy 数组。
# 数组的每一行是一个横坐标和纵坐标都落在 [-1, 1] 区间的一个数据点 (x, y)
self.data = np.random.rand(num_points, 2).astype(np.float32) * 2 - 1
# 为上述 NumPy 数组构建标签。每一行的 (x, y) 如果符合 x*y < 0，则对应标签为1，反之，标签为0
self.label = np.zeros(num_points, dtype=np.int32)
for i in range(num_points):
self.label[i] = 1 if np.prod(self.data[i]) < 0 else 0
# 定义获取数据集中每个样本的方法
def __getitem__(self, index: int) -> Tuple:
return self.data[index], self.label[index]
# 定义返回数据集长度的方法
def __len__(self) -> int:
return len(self.data)
np.random.seed(2020)
# 构建一个包含 30000 个点的训练数据集
xor_train_dataset = XORDataset(30000)
print("The length of train dataset is: {}".format(len(xor_train_dataset)))
# 通过 for 遍历数据集中的每一个样本
for cor, tag in xor_train_dataset:
print("The first data point is: {}, {}".format(cor, tag))
break
print("The second data point is: {}".format(xor_train_dataset[1]))
输出：
The length of train dataset is: 30000
The first data point is: [0.97255366 0.74678389], 0
The second data point is: (array([ 0.01949105, -0.45632857]), 1)
MegEngine 中也提供了一些已经继承自 Dataset 的数据集类，方便使用，比如 ArrayDataset 。 ArrayDataset 允许通过传入单个或多个 NumPy 数组，对它进行初始化。其内部实现如下：
- __init__() ：检查传入的多个 NumPy 数组的长度是否一致；不一致则无法成功创建；
- __getitem__() ：将多个 NumPy 数组相同索引位置的元素构成一个 tuple 并返回；
- __len__() ：返回数据集的大小；
以图1所示的数据集为例，可以通过坐标数据和标签数据的数组直接构造 ArrayDataset ，无需用户自己定义数据集类。
from megengine.data.dataset import ArrayDataset
# 准备 NumPy 形式的 data 和 label 数据
np.random.seed(2020)
num_points = 30000
data = np.random.rand(num_points, 2).astype(np.float32) * 2 - 1
label = np.zeros(num_points, dtype=np.int32)
for i in range(num_points):
label[i] = 1 if np.prod(data[i]) < 0 else 0
# 利用 ArrayDataset 创建一个数据集类
xor_dataset = ArrayDataset(data, label)
通过 Sampler 从 Dataset 中采样
Dataset 仅能通过一个固定的顺序（其 __getitem__ 实现）访问所有样本， 而 Sampler 使得可以以所期望的方式从 Dataset 中采样，生成训练和测试的批（minibatch）数据。 Sampler 本质上是一个数据集中数据索引的迭代器，接收 Dataset 的实例和批大小（batch_size）来进行初始化。
MegEngine 中提供各种常见的采样器，如 RandomSampler （通常用于训练）、 SequentialSampler （通常用于测试） 等。
下面示例，来熟悉 Sampler 的基本用法：
# 导入 MegEngine 中采样器
from megengine.data import RandomSampler
# 创建一个随机采样器
random_sampler = RandomSampler(dataset=xor_dataset, batch_size=4)
# 获取迭代sampler时每次返回的数据集索引
for indices in random_sampler:
print(indices)
break
输出：
[19827, 2614, 8788, 8641]
可以看到，在 batch_size 为4时，每次迭代 sampler 返回的是长度为4的列表，列表中的每个元素是随机采样出的数据索引。
如果创建的是一个序列化采样器 SequentialSampler ，那么每次返回的就是顺序索引。
from megengine.data import SequentialSampler
sequential_sampler = SequentialSampler(dataset=xor_dataset, batch_size=4)
# 获取迭代sampler时返回的数据集索引信息
for indices in sequential_sampler:
print(indices)
break
输出：
[0, 1, 2, 3]
用户也可以继承 Sampler 自定义采样器，这里不做详述。
用 DataLoader 生成批数据
MegEngine 中，DataLoader 本质上是一个迭代器，它通过 Dataset 和 Sampler 生成 minibatch 数据。
下列代码通过 for 循环获取每个 minibatch 的数据。
from megengine.data import DataLoader
# 创建一个 DataLoader，并指定数据集和顺序采样器
xor_dataloader = DataLoader(
dataset=xor_dataset,
sampler=sequential_sampler,
)
print("The length of the xor_dataloader is: {}".format(len(xor_dataloader)))
# 从 DataLoader 中迭代地获取每批数据
for idx, (cor, tag) in enumerate(xor_dataloader):
print("iter %d : " % (idx), cor, tag)
break
输出：
The length of the xor_dataloader is: 7500
iter 0 : [[ 0.97255366 0.74678389]
[ 0.01949105 -0.45632857]
[-0.32616254 -0.56609147]
[-0.44704571 -0.31336881]] [0 1 0 0]
DataLoader 中的数据变换（Transform）
在深度学习模型的训练中，经常需要对数据进行各种转换，比如，归一化、各种形式的数据增广等。 Transform 是数据变换的基类，其各种派生类提供了常见的数据转换功能。 DataLoader 构造函数可以接收一个 Transform 参数， 在构建 minibatch 时，对该批数据进行相应的转换操作。
接下来通过 MNIST 数据集（MegEngine 提供了 MNIST Dataset）来熟悉 Transform 的使用。 首先构建一个不做 Transform 的 MNIST DataLoader，并可视化第一个 minibatch 数据。
# 从 MegEngine 中导入 MNIST 数据集
from megengine.data.dataset import MNIST
# 若是第一次下载 MNIST 数据集，download 需设置成 True
# 若已经下载 MNIST 数据集，通过 root 指定 MNIST数据集 raw 路径
# 通过设置 train=True/False 获取训练集或测试集
mnist_train_dataset = MNIST(root="./dataset/MNIST", train=True, download=True)
# mnist_test_dataset = MNIST(root="./dataset/MNIST", train=False, download=True)
sequential_sampler = SequentialSampler(dataset=mnist_train_dataset, batch_size=4)
mnist_train_dataloader = DataLoader(
dataset=mnist_train_dataset,
sampler=sequential_sampler,
)
for i, batch_sample in enumerate(mnist_train_dataloader):
batch_image, batch_label = batch_sample[0], batch_sample[1]
# 下面可以将 batch_image, batch_label 传递给网络做训练，这里省略
# trainging code ...
# 中断
break
print("The shape of minibatch is: {}".format(batch_image.shape))
# 导入可视化 Python 库，若没有，安装
import matplotlib.pyplot as plt
def show(batch_image, batch_label):
for i in range(4):
plt.subplot(1, 4, i+1)
plt.imshow(batch_image[i][:,:,-1], cmap='gray')
plt.xticks([])
plt.yticks([])
plt.title("label: {}".format(batch_label[i]))
plt.show()
# 可视化数据
show(batch_image, batch_label)
输出：
The shape of minibatch is: (4, 28, 28, 1)
可视化第一批 MNIST 数据：
图2
然后，构建一个做 RandomResizedCrop transform 的 MNIST DataLoader，并查看此时第一个 minibatch 的图片。
# 导入 MegEngine 已支持的一些数据增强操作
from megengine.data.transform import RandomResizedCrop
dataloader = DataLoader(
mnist_train_dataset,
sampler=sequential_sampler,
# 指定随机裁剪后的图片的输出size
transform=RandomResizedCrop(output_size=28),
)
for i, batch_sample in enumerate(dataloader):
batch_image, batch_label = batch_sample[0], batch_sample[1]
break
show(batch_image, batch_label)
可视化第一个批数据：
图3
可以看到，此时图片经过了随机裁剪并 resize 回原尺寸。
组合变换（Compose Transform）
经常需要做一系列数据变换。比如：
- 数据归一化：可以通过 Transform 中提供的 Normalize 类来实现；
- Pad：对图片的每条边补零以增大图片尺寸，通过 Pad 类来实现；
- 维度转换：将 (Batch-size, Hight, Width, Channel) 维度的 minibatch 转换为 (Batch-size, Channel, Hight, Width)（因为这是 MegEngine 支持的数据格式），通过 ToMode 类来实现；
- 其它的转换操作
为了方便使用，MegEngine 中的 Compose 类允许组合多个 Transform 并传递给 DataLoader 的 transform 参数。
接下来通过 Compose 类将之前的 RandomResizedCrop 操作与 Normalize 、 Pad 和 ToMode 操作组合起来， 实现多种数据转换操作的混合使用。运行如下代码查看转换 minibatch 的维度信息。
from megengine.data.transform import RandomResizedCrop, Normalize, ToMode, Pad, Compose
# 利用 Compose 组合多个 Transform 操作
dataloader = DataLoader(
mnist_train_dataset,
sampler=sequential_sampler,
transform=Compose([
RandomResizedCrop(output_size=28),
# mean 和 std 分别是 MNIST 数据的均值和标准差，图片数值范围是 0~255
Normalize(mean=0.1307*255, std=0.3081*255),
Pad(2),
# 'CHW'表示把图片由 (height, width, channel) 格式转换成 (channel, height, width) 格式
ToMode('CHW'),
])
)
for i, batch_sample in enumerate(dataloader):
batch_image, batch_label = batch_sample[0], batch_sample[1]
break
print("The shape of the batch is now: {}".format(batch_image.shape))
输出：
The shape of the batch is now: (4, 1, 32, 32)
可以看到，此时 minibatch 数据的 channel 维换了位置，且图片尺寸变为32。
DataLoader 中其他参数的用法请参考 DataLoader 文档。