5-1　数据集及数据加载器

torch.utils.data.Dataset是PyTorch内建数据结构，可同时存储特征( x )及目标( y )，包含一些内建的数据集：

（1）影像数据集：例如MNIST、FashionMNIST等，可参考Pytorch官网torchvision.datasets ^[1] 。

（2）语音数据集：可参考Pytorch官网torchaudio.datasets ^[2] 。

（3）文字数据集：可参考Pytorch官网torchtext.datasets ^[3] 。

（4）除此之外，还可以自定义数据集。

范例.加载数据集，并读取相关数据。

下列程序代码请参考【05_01_Datasets.ipynb】。

（1）载入套件。

（2）检查是否有GPU。

（3）加载MNIST手写阿拉伯数字数据。MNIST等数据集都有5个参数。

根路径(root)：数据集下载后存储的目录，空字符串表示目前文件夹。

train：True表示下载训练数据集；False表示下载测试数据集。

download：True表示数据集不存在则自网络下载；False表示不会自动下载。

transform：数据集读入后特征( x )要做何种转换，至少要转成PyTorch Tensor。各种转换可参考Pytorch官网torchvision.transforms ^[4] 。

target_transform：数据集读入后，目标( y )要做何种转换。

（4）读取数据：直接指定索引值，例如train_ds.data[0]，即可读取第一笔数据。 注意，使用train_ds.data[0]读取数据并不会应用到Transform函数，必须使用DataLoader读取数据，Transform函数才会发生效果。

执行结果。

（5）再看另一个数据集FashionMNIST，同时说明数据转换(Transform)及自定义数据集(Custom Dataset)的用法。

（6）任意抽样9笔数据显示：labels_map是目标值与名称的对照。

执行结果。

（7）数据转换(Transform)：PyTorch提供非常多的转换函数，包括转换成PyTorch Tensor、放大/缩小、剪裁、彩色转灰度、各种数据增强(Data Augmentation)的效果等，可减少数据前置处理的负担，TensorFlow目前缺乏类似的功能。我们先来看单张图片的转换，程序代码修改自Pytorch官网Illustration of transforms ^[5] 。

（8）读取范例图片文件：使用skimage套件内建的女航天员图像。

执行结果。

（9）转换输入须为Pillow格式，再以Pillow函数读取图片文件。

（10）定义绘图函数。

（11）图片放大/缩小。

执行结果：第1张为原图，之后为缩小成30%、50%、100%、原比例的图，可以看到缩小后再经ax.imshow放大，显示就变模糊了。

（12）自中心裁剪。

执行结果：第1张为原图，之后为裁剪成30%、50%、100%、原比例的图，可以看到以中心点为参考点，向外裁剪。

（13）FiveCrop：以左上、右上、左下、右下及中心点为参考点，一次裁剪5张图。

执行结果。

（14）转灰度。

执行结果。

（15）旁边补零：指定补零宽度为3、10、30、50。

执行结果：观察边框的宽窄。

总共超过20种转换，中文说明可参考《PyTorch学习笔记(三)：transforms的二十二个方法》 ^[6] ，这些效果都可以任意组合至transforms.Compose函数内。

另外，处理图像时常会做特征缩放，在TensorFlow范例中会采取正规化(Normalization)，公式为( x -min)/(max-min)，使 x 的范围介于[0,1]之间，而PyTorch并未提供此转换，通常采用标准化，但却命名为Normalize，与Normalization有点混淆，公式为( x - μ )/ δ ，请特别注意。一般而言，标准化是假设 x 是常态分配，但像素颜色0~255，应该属均匀分配，采用正规化似乎比较合理，但PyTorch官网采用常态分配，我们在此不计较这些。

程序代码如下，含两组参数，第一组为RGB三色的平均数( μ )，第二组为RGB三色的标准偏差( δ )，这是从ImageNet大量数据集统计的结果：

transforms.Normalize((0.485, 0.456, 0.406), (0.229, 0.224, 0.225))

若图像为单色，程序代码如下：

transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))

可参考程序 【04_07_手写阿拉伯数字辨识_Normalize.ipynb】 。

若要采取正规化，完整范例可参考程序 【05_02_手写阿拉伯数字辨识_ MinMaxScaler.ipynb】 ，辨识率不佳，可见PyTorch与TensorFlow在图像的细部处理上是有所差异的。

（16）接着，我们实操一个范例，并同时示范自定义数据集的做法，将一目录下的所有文件制作成数据集，并转换为正确的输入格式。

（17）先制作一个目标名称与代码的对照表，之后将文件名转换为目标代码。

（18）自定义数据集：自定义数据集类别必须包含三个方法：__init__、__len__、__getitem__，作用分别为初始化、总笔数、取得下一笔数据，这种方式不必一次加载所有图像，可以节省内存的耗用。

（19）加载【04_06_FashionMNIST辨识_完整版.ipynb】存储的模型。

（20）建立转换：依次转灰度、缩放、居中、转PyTorch Tensor。

（21）建立DataLoader：加载自定义数据集，进行测试。

执行结果：与【04_06_FashionMNIST辨识_完整版.ipynb】测试结果相同。

Dataset一次获取一笔数据，使用DataLoader则可以一次获取一“批”数据，方便我们做批量测试，加快训练及测试速度，参数如下：

第一个参数：Dataset。

batch_size：批量。

shuffle：读取数据前是否先洗牌。

不通过循环，一次获取一“批”数据。

执行结果：torch.Size([7, 28, 28]) tensor([8, 5, 5, 6, 0, 1, 1])，取出7笔数据(不足10笔)。

有关语音及文字数据集在后续章节再作介绍。 ao0cI78peUDmvMk3RtZDUt98m1OEQDitAXFut4RJwDGQBFSh4QuL8y3Q5ufNUpn3