【从caffe到Tensorflow 1】io 操作

最近项目要频繁用到tensorflow，所以不得不认真研究下tensorflow而不是跟之前一样遇到了就搞一下了。

首先我觉得所有这些框架里面caffe是最清晰的，所以就算是学习tensorflow，我也会以caffe的思路去学习，这就是这个系列的用意。

今天是第1篇，咱们说io操作，也就是文件读取，载入内存。

01

Caffe的io操作

caffe的io，是通过在prototxt中定义数据输入，默认支持data，imagedata，hdf5data，window data等类型。Data layer，输入是LMDB数据格式，image data 支持的是image list的数据格式。

对于LMDB来说，我们在caffe layer中配置准备好的二进制数据即可。

对于image data，我们准备一个data list，官方的image data是一个分类任务的list，格式为每行image，label，当然随着任务的不同我们可以自定义。比如分割任务image，mask。检测任务，image num of object, object rect1,object rect2等。

典型的格式是这样：

具体的载入，就是在相关层的DataLayerSetUp函数中设置好输入大小，load_batch函数中，读取原始数据，再利用data_transform塞入内存。

当然caffe也可以自定义python层使用，不过我还是更习惯c++，何况这里比较的也是官方自带的layer。

从上面我们可以看出，caffe的io都是从文件中载入，只是文件的组织方式不同。

Tensorflow的io输入则要复杂，全面很多，我们参考tensorflow1.5的API。

http://link.zhihu.com/?target=https%3A//

www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/data

02

Tensorflow的io操作

Tensorflow不止是读取文件这一种方法，它可以包含以下几种方式。

  • 预加载数据： 在TensorFlow图中定义常量或变量来保存所有数据(仅适用于数据量比较小的情况)

import tensorflow as tf
# 设计Graph
x1 = tf.constant([2, 3, 4])
x2 = tf.constant([4, 0, 1])
y = tf.add(x1, x2)
with tf.Session() as sess:
  print sess.run(y)

如上，x1，x2都是预加载好的数据。在设计Graph的时候，x1和x2就已经被定义成了两个有值的列表，在计算y的时候直接取x1和x2的值。这种方法的问题是将数据直接内嵌到Graph中，再把Graph传入Session中运行。当数据量比较大时，Graph的传输会遇到效率问题。

  • Feeding 它定义变量的时候用占位符替代数据，待运行的时候填充数据。

import tensorflow as tf
x1 = tf.placeholder(tf.int16)
x2 = tf.placeholder(tf.int16)
y = tf.add(x1, x2)
# 用Python产生数据
li1 = [2, 3, 4]
li2 = [4, 0, 1]
# 打开一个session --> 喂数据 --> 计算y
with tf.Session() as sess:
  print sess.run(y, feed_dict={x1: li1, x2: li2})

定义的时候，x1, x2只是占位符所以没有具体的值，运行的时候使用sess.run()中的feed_dict参数，将Python产生的数据喂给后端，并计算y。

  • Reading From File

前两种方法很方便，但是遇到大型数据的时候就会很吃力，即使是Feeding，中间环节的增加也是不小的开销，比如数据类型转换等等。而且，面对复杂类型的数据，也是处理不过来的。因此与caffe一样，tensorflow也是支持从文件中读取数据。

下面举一个利用队列读取硬盘中的数据到内存的例子：假如需要读取的数据存在一个list中。这篇博客举了一个很好的例子；

http://honggang.io/2016/08/19/tensorflow-data-reading/

在上图中，首先由一个单线程把文件名堆入队列，两个Reader同时从队列中取文件名并读取数据，Decoder将读出的数据解码后堆入样本队列。

利用了string_input_producer + tf.TextLineReader() + train.start_queue_runners来读取数据，string_input_producer的定义在

https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/r1.5/tensorflow/python/training/input.py

string_input_producer(
   string_tensor,
   num_epochs=None,
   shuffle=True,
   seed=None,
   capacity=32,
   shared_name=None,
   name=None,
   cancel_op=None
)

从上面可见，可以指定num_epochs，是否shuffle等，这就是一个最简单的从文件中读取的例子了。

假设有文件A.csv如下：

Alpha1,A1

Alpha2,A2

Alpha3,A3

单个reader读取单个数据脚本如下；

import tensorflow as tf
filenames = ['A.csv'] 必须要以数组的形式
filename_queue = tf.train.string_input_producer(filenames, shuffle=False)
reader = tf.TextLineReader()# 定义Reader
key, value = reader.read(filename_queue)
# 定义Decoder
example, label = tf.decode_csv(value, record_defaults=[['null'], ['null']])
# 运行Graph
with tf.Session() as sess:
  coord = tf.train.Coordinator()  #创建一个协调器，管理线程
  threads = tf.train.start_queue_runners(coord=coord)  #启动QueueRunner, 此时文件名队列已经进队。
  for i in range(10):
      print example.eval()   #取样本的时候，一个Reader先从文件名队列中取出文件名，读出数据，Decoder解析后进入样本队列。
  coord.request_stop()
  coord.join(threads)

讲了上面的基础例子之后，我们开始看更复杂的例子。

上面的例子包含两类，一种是从placeholder读内存中的数据，一种是使用queue读硬盘中的数据，而1.3以后的Dataset API同时支持从内存和硬盘的读取。

它们支持多种类型的输入，分别是FixedLengthRecordDataset, TextLineDataset, TFRecordDataset类型的。

TextLineDataset：这个函数的输入是一个文件的列表，输出是一个dataset。dataset中的每一个元素就对应了文件中的一行。可以使用这个函数来读入CSV文件，跟上面例子类似。

TFRecordDataset：这个函数是用来读TFRecord文件的，dataset中的每一个元素就是一个TFExample，这是很常用的。

FixedLengthRecordDataset：这个函数的输入是一个文件的列表和一个record_bytes，之后dataset的每一个元素就是文件中固定字节数record_bytes的内容。通常用来读取以二进制形式保存的文件，如CIFAR10数据集就是这种形式。

迭代器：提供了一种一次获取一个数据集元素的方法。

所有定义都在tensorflow/python/data/ops/readers.py中。

参考文章

https://zhuanlan.zhihu.com/p/30751039

我们先理解一下dataset是什么？

Dataset可以看作是相同类型“元素”的有序列表，而单个“元素”可以是向量，也可以是字符串、图片，甚至是tuple或者dict。

先以最简单的，Dataset的每一个元素是一个数字为例：

import tensorflow as tf
import numpy as np
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(np.array([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0]))

这样，我们就创建了一个dataset，这个dataset中含有5个元素，分别是1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0。

如何将这个dataset中的元素取出呢？方法是从Dataset中示例化一个Iterator，然后对Iterator进行迭代。

iterator = dataset.make_one_shot_iterator()
one_element = iterator.get_next()
with tf.Session() as sess:
for i in range(5):
      print(sess.run(one_element))

对应的输出结果应该就是从1.0到5.0。语句iterator = dataset.make_one_shot_iterator()从dataset中实例化了一个Iterator，这个Iterator是一个“one shot iterator”，即只能从头到尾读取一次。one_element = iterator.get_next()表示从iterator里取出一个元素，调用sess.run(one_element)后，才能真正地取出一个值。

如果一个dataset中元素被读取完了，再尝试sess.run(one_element)的话，就会抛出tf.errors.OutOfRangeError异常，这个行为与使用队列方式读取数据的行为是一致的。在实际程序中，可以在外界捕捉这个异常以判断数据是否读取完，请参考下面的代码：

dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(np.array([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0]))
iterator = dataset.make_one_shot_iterator()
one_element = iterator.get_next()
with tf.Session() as sess:
try:
while True:
          print(sess.run(one_element))
except tf.errors.OutOfRangeError:
      print("end!")

dataset还可以有一些基本的数据变换操作，即transform操作，常见的有map，batch，shuffle，repeat

把数据+1dataset = dataset.map(lambda x: x + 1)

组合成batch，dataset = dataset.batch(32)

进行shuffle，dataset = dataset.shuffle(buffer_size=10000)

repeat 组成多个epoch，dataset = dataset.repeat(5)

03

来一个实例

理解了dataset之后，我们再看如何从文件中读取数据。由于tfrecord是非常常用的格式，下面我们就以这个为例。

假如我们有两个文件夹，一个是整理好的固定大小的图片，一个是对应label图片，这是一个分割任务,下面我们开始做。

  • 处理成tfrecord格式

首先，我们要把数据处理成tfrecord格式。

我们先定义一下存储格式：

直接贴完整代码了

import tensorflow as tf
import os
import sys

def _bytes_feature(value):
  return tf.train.Feature(bytes_list=tf.train.BytesList(value=[value]))

def _convert_to_example(image_buffer, mask_buffer, filename, mask_filename):
  example = tf.train.Example(features=tf.train.Features(feature={
      'image': _bytes_feature(image_buffer),
      'mask': _bytes_feature(mask_buffer),
      "filename": _bytes_feature(bytes(filename.encode("UTF-8"))),
      "mask_filename": _bytes_feature(bytes(mask_filename.encode("UTF-8")))
      #"filename": _bytes_feature(bytes(filename, encoding="UTF-8")),
      #"mask_filename": _bytes_feature(bytes(mask_filename, encoding="UTF-8"))
  }))
  return example

files = os.listdir(sys.argv[1])
mask_dir = sys.argv[2]
writer = tf.python_io.TFRecordWriter(sys.argv[3])
for file in files:
 filename = file
 mask_filename = os.path.join(mask_dir,filename.split('.')[0] + ".png")
 filename = os.path.join(sys.argv[1],filename)
 try:
    image_buffer = tf.gfile.FastGFile(filename, 'rb').read()
    mask_buffer = tf.gfile.FastGFile(mask_filename, 'rb').read()

print "filename=",filename
    example = _convert_to_example(image_buffer, mask_buffer, filename, mask_filename)
    writer.write(example.SerializeToString())

except StopIteration as e:
    print "error"

_convert_to_example这个函数，就是定义存储的格式；tf.gfile.FastGFile就是读取图片原始文件格式且不编解码，writer = tf.python_io.TFRecordWriter(sys.argv[3])是定义writer,写起来其实挺简单。

tf.train.Example是一个protocol buffer，定义在

https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/r1.5/tensorflow/core/example/example.proto

将数据填入到Example后就可以序列化为一个字符串。一个Example中包含Features，Features里包含Feature，每一个feature其实就是一个字典，如上面的一个字典包含4个字段。

  • 读取tf.records

读取数据就可以使用tf.TFRecordReader的tf.parse_single_example解析器。它将Example protocol buffer解析为张量。

简单的利用队列读取，可以采用下面的方法

filename_queue = tf.train.string_input_producer([filename])
reader = tf.TFRecordReader()
  _, serialized_example = reader.read(filename_queue)   #返回文件名和文件
  features = tf.parse_single_example(serialized_example,
      features={'label': tf.FixedLenFeature([], tf.int64),
                ‘img_raw' : tf.FixedLenFeature([], tf.string),})
img = tf.decode_raw(features['image'], tf.uint8)
label = tf.decode_raw(features['mask'], tf.uint8)

不过，我们这里利用新的API的dataset来读取，更加高效。直接贴上代码如下：

上面定义过_convert_to_example，我们这里先定义一个读取格式。

def _extract_features(example):
  features = {
      "image": tf.FixedLenFeature((), tf.string),
      "mask": tf.FixedLenFeature((), tf.string)
}
获取一个example
parsed_example = tf.parse_single_example(example, features)
得到原始图并转换格式，set_shape是必须的，因为没有存储尺寸信息。
  images = tf.cast(tf.image.decode_jpeg(parsed_example["image"]), dtype=tf.float32)
  images.set_shape([224, 224, 3])
  masks = tf.cast(tf.image.decode_jpeg(parsed_example["mask"]), dtype=tf.float32) / 255.
  masks.set_shape([224, 224, 1])
  return images, masks

下面这个函数就是create迭代器了，在这里我们使用最简单的iterator，one-shot iterator来迭代，当然它只支持在一个dataset上迭代一次，不需要显式初始化。这里不需要怀疑epoch的问题，因为dataset.repeat(num_epoch)就会设置epoch数目，所以虽然只在dataset上迭代一次，但是已经遍历过数据epoch次。

def create_one_shot_iterator(filenames, batch_size, num_epoch):
  dataset = tf.data.TFRecordDataset(filenames)
  dataset = dataset.map(_extract_features)
  dataset = dataset.shuffle(buffer_size=batch_size)
  dataset = dataset.batch(batch_size)
  dataset = dataset.repeat(num_epoch)
return dataset.make_one_shot_iterator()
用的时候，就是
train_iterator = create_one_shot_iterator(train_files, train_batch_size, num_epoch=num_epochs)
next_images, next_masks = train_iterator.get_next()
当然读取出来之后可以做一些数据增强的操作。

就这样完毕！

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