Изменения

{{Определение|definition='''Синтетические данные -- ''' — это любые "производные" программно сгенерированные данные, применимые используемые в конкретной бизнес-приложениях (в том числе в машинном обучении).}} Нередко возникают ситуации, которые не были получены путём прямого сбора когда получение реальных бизнес-процессов сложно или дорого, но при этом известны требования к таким бизнес-процессам, правила создания и измерений <ref nameзаконы распределения. Как правило, это происходит, когда речь идёт о чувствительных персональных данных — например, информации о банковских счетах или медицинской информации. В таких случаях необходимые наборы данных можно [[Генерация объектов|программно сгенерировать]]. == Виды генерации =="McGraw Существует два основных подхода к генерации синтетических наборов данных. В случае, когда реальные данные отсутствуют или их сбор невозможен (из-Hill Dictionary of Scientific and Technical Termsза большой длительности или дороговизны процесса), наборы генерируются полностью случайным образом на основе некой статистической модели, которая учитывает законы распределения реальных данных. Retrieved November 29Однако, такой подход не всегда оправдывает себя из-за того, что синтетические данные могут не учитывать весь спектр возможных случаев, 2009и полученная с помощью такого набора модель может давать непредсказуемые результаты в крайних случаях."></ref> Также применяется [[wikipedia:Data_augmentation|аугментация]] (англ. augmentation) — генерация наборов на основе имеющихся бизнес-процессов. К имеющимся данным применяются различные способы искажения: например, для изображений могут использоваться различные геометрические преобразования, искажения цвета, кадрирование, поворот, добавление шума и иные. Для числовых данных могут использоваться такие искажения, как добавление объектов с усреднёнными значениями, смешивание с объектами из другого распределения, добавление случайных выбросов. Преимущества использования синтетических данных: * Возможность генерации наборов данных практически любого размера. * Известность параметров генерации, а значит, и генеральной совокупности: можно сравнить оценки модели и истинные параметры, и исходя из этого судить о качестве полученных выборочных оценок параметров. * Ускорение и удешевление процесса разработки: не нужно ждать, пока будет собран и размечен достаточный объём реальных данных. * Повышение доступности больших объёмов данных.  В то же время, "производные у синтетических данных есть и недостатки: * Отсутствие универсального способа генерации, применимого для любых задач: в каждом конкретном случае необходимо дополнительное исследование требований, накладываемых на генерируемые данные" (согласно второму словарю) -- это постоянно-хранимая информация. * Отсутствие универсальных метрик качества и применимости генерируемых данных. * Излишняя «стерильность» получаемых данных: в общем случае неизвестно, которую используют специалисты какими могут быть выбросы в своей повседневной работереальных данных<ref>Если выбросы известны, то проблема может быть решена путём настройки параметров генератора.</ref>.

Применение Сгенерированные объекты можно использовать в [[Общие понятия#Классификация задач машинного обучения|задаче обучения с учителем]] для расширения обучающего множества, сведя её к задачам [[Обучение с частичным привлечением учителя|частичного обучения]] и [[Обучение с частичным привлечением учителя#Самообучение (Self Training)|самообучения]]. Довольно распространённым подходом является обучение сначала на большом наборе синтетических данных оправдано , а затем дообучение на небольшом наборе имеющихся реальных данных. Иногда при обучении реальные данные не используются вовсе. При этом в тестовых множествах использовать синтетические наборы данных нельзя: в тех случаях, когда них должны быть только реальные измерения проводить либо сложно, либо дорогообъекты. Синтетические данные используют не только при недоступности реальных, но известны правила генерации и законы распределения для того, чтобы изменить распределение классов в уже имеющихся данных, дополнив их по [[Алгоритмы сэмплирования|определённому алгоритму]]<ref name="wiki:oversampling">Oversampling and undersampling in data analysis — https://en.wikipedia.org/wiki/Oversampling_and_undersampling_in_data_analysis — Retrieved January 11, 2021</ref>.  Синтетические данные активно используются при обучении алгоритмов управления [[wikipedia:Self-driving car|автономным транспортом]]. Эти алгоритмы решают две задачи: сначала [[Обнаружение и обработка дорожных знаков и пешеходов|выявляют окружающие объекты]] — машины, дорожные знаки, пешеходов, а затем принимают решение о направлении и скорости дальнейшего движения. При реализации таких алгоритмов наиболее важно поведение транспортного средства в критических ситуациях, таких как помехи на дороге или некорректные показания сенсоров — от этого могут зависеть жизни людей. В реальных данныхже, наоборот, в основном присутствуют штатные ситуации. Одно из самых наглядных применений аугментации данных — алгоритмы восстановления изображений. Для работы таких алгоритмов исходный набор изображений расширяется их копиями, к которым применяются некие преобразования из фиксированного набора. На основе полученных изображений генерируется набор, в котором входными данными считаются полученные изображения, а целевыми — исходные. В задачах самом деле, получить реальные данные для такой задачи — фотографию и её же искажённую копию — довольно затруднительно, а применение таких преобразований довольно легко автоматизируется. Таким образом, если исходные изображения достаточно хорошо описывали источник данных, то полученный набор данных можно применять для обучения алгоритма восстановления изображений, устраняющего применённые преобразования. Также с учителем помощью синтетических наборов данных можно расширить обучающее множество сгенерированными объектамиупростить обучение алгоритмов [[Компьютерное зрение|компьютерного зрения]], решающих задачи [[Сегментация изображений|семантической сегментации]], [[Компьютерное зрение#Идентификация|поиска]] и [[Компьютерное зрение#Распознавание объектов|локализации]] объектов. В данном случае подходят наборы, однако в тестовом множестве должны присутствовать лишь реальные которых искомые объектыопределённым образом наносятся на фоновое изображение. В таком случае частности, таким объектом может быть текст — тогда с помощью полученного набора может быть решена задача обучения [[Распознавание текста на изображении|распознавания текста на изображении]]. Синтетические данные используются и для создания алгоритмов [[Реидентификация|реидентификации]]^{[на 25.01.21 не создан]} — определения, действительно ли на двух изображениях один и тот же человек. Эти алгоритмы могут использоваться для нахождения людей на записях с учителем сводится к задачам частичного обучения камер, на пограничных пунктах и самообучениятак далее.В некоторых случаях, разработчикам недоступны этом случае реальные данныесобрать довольно сложно, потому что требуется найти много фотографий одних и тех же людей в разных позах, например данные о банковских счетах с разных ракурсов и другие sensitive dataв разной одежде. В таком случаеПри генерации синтетических наборов данных необходимо учитывать специфику каждого конкретного случая, общего алгоритма, подходящего для всех случаев не существует. Как правило, если известнообщие алгоритмы наподобие добавления средних значений оказываются нерепрезентативными. == Примеры == [[Файл:TextSharpener-Identity.png|200px|thumb|right|Рисунок 1. Пример работы TextSharpener. Слева направо: размытое изображение, каким требованиям должны удовлетворять реальные объектыисходное изображение, а также владея информацией об их предположительных распределенияхрезультат работы алгоритма<ref name="TextSharpener">Unblurring images of text with convolutional neural networks — https://gardarandri.github.io/TextSharpener/ — Retrieved January 8, можно также применить генерацию2021</ref>.]]

Применение синтетических Алгоритм TextSharpener<ref name="TextSharpener"/>, разработанный по методологии SCRUM в Университете Исландии и основанный на [[Сверточные нейронные сети|свёрточной нейронной сети]], позволяет убирать размытие текста на изображениях (см. рисунок 1). Для подготовки набора данных в задачах , который подошёл для обучения такого алгоритма, хватило [https://github.com/gardarandri/TextSharpener/blob/master/generator/GenImages.py тривиального скрипта] на Python, генерирующего случайные прямоугольники и надписи на них, а затем размывавшего их, с учителем или частичного обучения возможно только в обучающем множествепомощью библиотеки PIL<ref name="PIL">Pillow — Pillow (PIL Fork) 8.1.0 Documentation — https://pillow.readthedocs. Тестовое множество должно содержать только реальные объектыio/en/stable/ — Retrieved January 25, 2021</ref>.

== Как их получать = OmniSCV ===

Существует несколько подходов к генерации данныхНередко различные устройства оснащаются широкоугольными и панорамными камерами с углом обзора до 360°. Изображения, получаемые с таких камер, обладают довольно сильными искажениями (см. рисунок 2).Генератор изображений комнат OmniSCV<ref name="OmniSCV">OmniSCV — https://www.mdpi.com/1424-8220/20/7/2066/htm — Retrieved January 11, 2021</ref> используется при разработке роботов для обучения алгоритмов [[Компьютерное зрение|компьютерного зрения]] для устранения искажений широкоугольных объективов и неидеальных условий освещённости.

*Генератор умеет симулировать различные варианты бизнес-процессов — [[wikipedia:Equirectangular projection|равноугольные]] и [[wikipedia:Cylindrical perspective|цилиндрические]] панорамы, [[wikipedia:Fisheye lens|«рыбьи глаза»]] и [[wikipedia:Catadioptric system|катадиоптрические системы]], а также сопровождать сгенерированные изображения комнат вспомогательной информацией об окружающем пространстве и параметрах используемой камеры (см. рисунок 3) Генерация датасета полностью;.

*Изображения этого набора данных генерируются с помощью графического движка Unreal Engine 4<ref name="ue">EpicGames. Unreal Engine 4 Documentation. — https://docs.unrealengine.com/en-US/index.html — Retrieved January 21, 2021</ref> и плагина UnrealCV<ref name="uecv">UnrealCV — https://unrealcv.org/ — Retrieved January 24, 2021</ref>. Каждое преобразование задаётся несложной функцией, связывающей координаты плоскости исходного изображения и луча, исходящего из окружающей среды. Например, для равноугольной проекции удобнее всего использовать [[wikipedia:Spherical coordinate system|сферические координаты]]: <tex>(\theta, \phi) = ((\frac{2x}{x_{max}}-1) Анализ и расширение уже имеющихся данных синтетическими\pi, (1/2 - \frac{y}{y_{max}})\pi)</tex>, где <tex>(x, y)</tex> — координаты пикселя, а <tex>(x_{max}, y_{max})</tex> — разрешение изображения. За центр сферы в этой системе координат принимается [[wikipedia:Cardinal point (optics)#Principal planes and points|оптический центр]].

Ну вот берём {{wide image|Omniscv-example.png|1580px|Рисунок 3. Примеры полученных панорам. Слева направо: равноугольная, цилиндрическая и получаемнецентральная (non-central) проекция<ref name="OmniSCV"/>.}}

[[Файл:Flyingchairs.png|200px|thumb|right|Рисунок 4. Пример из набора FlyingChairs<ref name="FlyingChairs">Computer Vision Group, Freiburg — https://lmb.informatik.uni-freiburg.de/resources/datasets/FlyingChairs.en.html — Retrieved January 11, 2021</ref>.]] = == FlyingChairs === Набор данных FlyingChairs<ref name="FlyingChairs" /> и его производные представляют из себя наборы изображений, на которые искусственно добавлены предметы в движении (например, стулья, как на рисунке 4). Эти наборы данных применяются в алгоритмах [[Компьютерное зрение|компьютерного зрения]], в частности для поиска движения. FlyingChairs строится следующим образом: авторы выбрали несколько сотен изображений с фотохостинга [https://flickr.com Flickr] из категорий «город», «ландшафт», «горы». Части этих изображений использовались в качестве фона. Далее на них накладывались стулья<ref name="fc-chairs">Aubry M., Maturana D., Efros A., Russell B., Sivic J. Seeing 3d chairs: exemplar part-based 2d-3d alignment using a large dataset of cad models — InCVPR, 2014</ref>, для каждого стула были представлены 62 различных угла обзора. С помощью двумерных аффинных преобразований сдвигается как фон, так и стулья — это позволяет эмулировать одновременно движение как стульев, так и «камеры». Авторы используют другой набор данных, MPI Sintel<ref name="sintel">Butler D. J., Wulff J., Stanley G. B., Black M.J. Anaturalistic open source movie for optical flow evaluation // ECCV, Part IV — Springer-Verlag, 2012 — с. 611–625</ref>, для получения информации об естественном распределении таких параметров, как начальные позиции объектов и параметры движения, и сохранении этого распределения. [[Файл:Vc-clothes.png|400px|thumb|left|Рисунок 5. Пример данных набора VC-Clothes. В первой строке — фон, в каждой из следующих — один и тот же человек в разной одежде<ref name="VC-Clothes">VC-Clothes — https://wanfb.github.io/dataset.html — Retrieved January 11, 2021</ref>.]] === VC-Clothes === Набор данных VC-Clothes<ref name="VC-Clothes"/> создан для разработки алгоритмов реидентификации. Он представляет из себя сгенерированные изображения одинаковых людей в разной одежде и на разном фоне. Помимо реидентификации, этот набор данных также может быть использован для решения задачи семантической [[Сегментация изображений|сегментации]], для отделения пикселей, соответствующих одежде, от пикселей, соответствующих лицу персонажа. Для создания набора была использована известная компьютерная игра Grand Theft Auto V. Эта игра поддерживает детальную настройку внешнего вида персонажей, произвольные параметры окружающей среды (освещение, угол обзора) и большое количество встроенных сцен — множество улиц, зданий и других мест. При генерации фиксируется маршрут каждого персонажа и позиции камер. Не со всех ракурсов распознаётся непосредственно лицо (см. рисунок 5), но человек вполне может быть распознан по полу, возрасту, фигуре, причёске и другим характеристикам. В итоге набор изображений включает 512 персонажей, 4 сцены и в среднем 9 изображений для каждого персонажа и каждой сцены. [[Файл:SynthText-in-the-Wild.png|200px|thumb|right|Рисунок 6. Пример изображения из набора SynthText in the Wild<ref name="SynthText">Visual Geometry Group - University of Oxford — https://www.robots.ox.ac.uk/~vgg/data/scenetext/ — Retrieved January 19, 2021</ref>.]] === SynthText in the Wild === Набор данных SynthText in the Wild<ref name="SynthText"/> разработан для обучения алгоритмов [[Распознавание текста на изображении|распознавания текста на изображении]]. Он берёт обычные изображения и накладывает на них неизогнутый текст из определённого набора (см. рисунок 6). Набор сопровождается подробной аннотацией: для каждого изображения указаны используемые фразы, а также координаты каждого слова и символа на изображении. Чтобы полученный набор выглядел натурально, применяется следующий подход<ref name="SynthText-paper">Gupta A., Vedaldi A., Zisseman A. Synthetic Data for Text Localisation in Natural Images // IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition — 2016</ref>. Сначала изображение делится на несколько областей в зависимости от значений соседних цветов и текстуры. Затем с помощью [[Сверточные нейронные сети|CNN]] строится карта глубины — определяется, какая точка ближе к камере, а какая дальше (см. рисунок 7). После этого можно по каждой области определить нормаль к поверхности. Алгоритм исключает из выбора неподходящие поверхности — очень маленькие, непропорциональные или ортогональные направлению съемки. Наконец, на основе цвета области выбирается цвет текста (и иногда — контура), случайным образом выбирается шрифт, после чего текст «накладывается» на изображение с помощью геометрических трансформаций и преобразования Пуассона. Этот процесс повторяется несколько раз, чтобы наложить сразу несколько текстовых объектов на изображение. {{wide image|Synthtext-Generation-Process.png|1100px|Рисунок 7. Процесс нанесения текста на изображение. Слева направо: исходное изображение; карта глубины (светлее — дальше); разбиение на поверхности; области для нанесения текста и случайно выбранный для них цвет; готовое изображение<ref name="SynthText-paper"/>.}} [[Файл:UnityEyes.png|200px|thumb|left|Рисунок 8. Образцы глаз, смотрящие в различных направлениях<ref name="unityeyes">Wood, E., Baltrusaitis, T., Morency, L., Robinson, P., Bulling, A. Learning an appearance-based gaze estimator from one million synthesised images // Proceedings of the Ninth Biennial ACM Symposium on Eye Tracking Research & Applications — 2016</ref>.]] === UnityEyes === В 2016 году по методологии SCRUM была разработана утилита [https://www.cl.cam.ac.uk/research/rainbow/projects/unityeyes/ UnityEyes], которая позволяет в реальном времени генерировать реалистичные изображения глаз, направленных в нужном направлении, показанные с требуемого ракурса (см. рисунок 8). Это позволяет решать задачу '''окулографии''' (англ. gaze estimation) — определения направления взгляда человека по фотографии. Программист бизнес-приложений получает в два раза больше программистов других приложений, поэтому он должен знать и эти алгоритмы. Изображения генерируются с помощью игрового движка Unity 5, доработанного авторами UnityEyes для значительного ускорения рендеринга. Используются 20 трёхмерных изображений головы людей различного возраста, с различным цветом кожи и формой глаз. Помимо этого, используются HDR-панорамы для получения естественного окружающего зеркального отблеска в глазах. [[Файл:Nvidia-drive-sample.png|400px|thumb|right|Рисунок 9. Примеры миров, сгенерированных NVIDIA DRIVE<ref name="nvidia">[https://www.nvidia.com/content/dam/en-zz/Solutions/deep-learning/resources/accelerating-ai-with-synthetic-data-ebook/accelerating-ai-with-synthetic-data-nvidia_web.pdf El Emam, K. Accelerating AI with Synthetic Data] — Beijing, Boston, Farnham, Sebastopol, Tokyo: O'Reilly Media, Inc., 2020.</ref>.]] === NVIDIA DRIVE === Для обучения автономного транспорта компания NVIDIA разработала по методологии SCRUM платформу NVIDIA DRIVE Constellation<ref name="nvidia" />, которая состоит из двух серверов. Один из них исполняет роль обучаемого транспортного средства, а второй непрерывно генерирует для первого различные «миниатюрные миры», включающие в себя симуляцию вывода с камеры, радара и лидаров. В обучении используется два режима — симуляция после восприятия (англ. ''postperception simulation'') и сквозная симуляция (англ. ''end-to-end simulation''). В режиме симуляции объектов из сгенерированных миров (см. рисунок 9) обучаемому алгоритму передаётся список объектов и их подробное описание, в свою очередь алгоритм должен выбрать дальнейшие действия автомобиля. В режиме симуляции мира на вход алгоритму подаются показания датчиков из сгенерированного мира, и алгоритм должен также распознать с помощью этих показаний присутствующие вокруг объекты и их характеристики. Этот режим полезен тем, что он более похож на реальный мир и учитывает помехи, возникающие на сенсорах. == См. также ==