<!--Copyright 2023 The HuggingFace Team. All rights reserved.

Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License"); you may not use this file except in compliance with
the License. You may obtain a copy of the License at

http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0

Unless required by applicable law or agreed to in writing, software distributed under the License is distributed on
an "AS IS" BASIS, WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. See the License for the
specific language governing permissions and limitations under the License.

⚠️ Note that this file is in Markdown but contain specific syntax for our doc-builder (similar to MDX) that may not be
rendered properly in your Markdown viewer.

-->

# 预处理

[[open-in-colab]]

在您可以在数据集上训练模型之前，数据需要被预处理为期望的模型输入格式。无论您的数据是文本、图像还是音频，它们都需要被转换并组合成批量的张量。🤗 Transformers 提供了一组预处理类来帮助准备数据以供模型使用。在本教程中，您将了解以下内容：

* 对于文本，使用[分词器](./main_classes/tokenizer)(`Tokenizer`)将文本转换为一系列标记(`tokens`)，并创建`tokens`的数字表示，将它们组合成张量。
* 对于语音和音频，使用[特征提取器](./main_classes/feature_extractor)(`Feature extractor`)从音频波形中提取顺序特征并将其转换为张量。
* 图像输入使用[图像处理器](./main_classes/image)(`ImageProcessor`)将图像转换为张量。
* 多模态输入，使用[处理器](./main_classes/processors)(`Processor`)结合了`Tokenizer`和`ImageProcessor`或`Processor`。

<Tip>

`AutoProcessor` **始终**有效的自动选择适用于您使用的模型的正确`class`，无论您使用的是`Tokenizer`、`ImageProcessor`、`Feature extractor`还是`Processor`。

</Tip>

在开始之前，请安装🤗 Datasets，以便您可以加载一些数据集来进行实验：


```bash
pip install datasets
```

## 自然语言处理

<Youtube id="Yffk5aydLzg"/>

处理文本数据的主要工具是[Tokenizer](main_classes/tokenizer)。`Tokenizer`根据一组规则将文本拆分为`tokens`。然后将这些`tokens`转换为数字，然后转换为张量，成为模型的输入。模型所需的任何附加输入都由`Tokenizer`添加。

<Tip>

如果您计划使用预训练模型，重要的是使用与之关联的预训练`Tokenizer`。这确保文本的拆分方式与预训练语料库相同，并在预训练期间使用相同的标记-索引的对应关系（通常称为*词汇表*-`vocab`）。

</Tip>

开始使用[`AutoTokenizer.from_pretrained`]方法加载一个预训练`tokenizer`。这将下载模型预训练的`vocab`：


```py
>>> from transformers import AutoTokenizer

>>> tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("google-bert/bert-base-cased")
```

然后将您的文本传递给`tokenizer`：


```py
>>> encoded_input = tokenizer("Do not meddle in the affairs of wizards, for they are subtle and quick to anger.")
>>> print(encoded_input)
{'input_ids': [101, 2079, 2025, 19960, 10362, 1999, 1996, 3821, 1997, 16657, 1010, 2005, 2027, 2024, 11259, 1998, 4248, 2000, 4963, 1012, 102],
 'token_type_ids': [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
 'attention_mask': [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]}
```

`tokenizer`返回一个包含三个重要对象的字典：

* [input_ids](glossary#input-ids) 是与句子中每个`token`对应的索引。
* [attention_mask](glossary#attention-mask) 指示是否应该关注一个`token`。
* [token_type_ids](glossary#token-type-ids) 在存在多个序列时标识一个`token`属于哪个序列。

通过解码 `input_ids` 来返回您的输入：


```py
>>> tokenizer.decode(encoded_input["input_ids"])
'[CLS] Do not meddle in the affairs of wizards, for they are subtle and quick to anger. [SEP]'
```

如您所见，`tokenizer`向句子中添加了两个特殊`token` - `CLS` 和 `SEP`（分类器和分隔符）。并非所有模型都需要特殊`token`，但如果需要，`tokenizer`会自动为您添加。

如果有多个句子需要预处理，将它们作为列表传递给`tokenizer`：


```py
>>> batch_sentences = [
...     "But what about second breakfast?",
...     "Don't think he knows about second breakfast, Pip.",
...     "What about elevensies?",
... ]
>>> encoded_inputs = tokenizer(batch_sentences)
>>> print(encoded_inputs)
{'input_ids': [[101, 1252, 1184, 1164, 1248, 6462, 136, 102],
               [101, 1790, 112, 189, 1341, 1119, 3520, 1164, 1248, 6462, 117, 21902, 1643, 119, 102],
               [101, 1327, 1164, 5450, 23434, 136, 102]],
 'token_type_ids': [[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                    [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                    [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]],
 'attention_mask': [[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
                    [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
                    [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]]}
```

### 填充

句子的长度并不总是相同，这可能会成为一个问题，因为模型输入的张量需要具有统一的形状。填充是一种策略，通过在较短的句子中添加一个特殊的`padding token`，以确保张量是矩形的。

将 `padding` 参数设置为 `True`，以使批次中较短的序列填充到与最长序列相匹配的长度：

```py
>>> batch_sentences = [
...     "But what about second breakfast?",
...     "Don't think he knows about second breakfast, Pip.",
...     "What about elevensies?",
... ]
>>> encoded_input = tokenizer(batch_sentences, padding=True)
>>> print(encoded_input)
{'input_ids': [[101, 1252, 1184, 1164, 1248, 6462, 136, 102, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
               [101, 1790, 112, 189, 1341, 1119, 3520, 1164, 1248, 6462, 117, 21902, 1643, 119, 102],
               [101, 1327, 1164, 5450, 23434, 136, 102, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]],
 'token_type_ids': [[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                    [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                    [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]],
 'attention_mask': [[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                    [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
                    [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]]}
```

第一句和第三句因为较短，通过`0`进行填充，。

### 截断

另一方面，有时候一个序列可能对模型来说太长了。在这种情况下，您需要将序列截断为更短的长度。

将 `truncation` 参数设置为 `True`，以将序列截断为模型接受的最大长度：


```py
>>> batch_sentences = [
...     "But what about second breakfast?",
...     "Don't think he knows about second breakfast, Pip.",
...     "What about elevensies?",
... ]
>>> encoded_input = tokenizer(batch_sentences, padding=True, truncation=True)
>>> print(encoded_input)
{'input_ids': [[101, 1252, 1184, 1164, 1248, 6462, 136, 102, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
               [101, 1790, 112, 189, 1341, 1119, 3520, 1164, 1248, 6462, 117, 21902, 1643, 119, 102],
               [101, 1327, 1164, 5450, 23434, 136, 102, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]],
 'token_type_ids': [[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                    [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                    [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]],
 'attention_mask': [[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                    [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
                    [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]]}
```

<Tip>

查看[填充和截断](./pad_truncation)概念指南，了解更多有关填充和截断参数的信息。

</Tip>

### 构建张量

最后，`tokenizer`可以返回实际输入到模型的张量。

将 `return_tensors` 参数设置为 `pt`（对于PyTorch）或 `tf`（对于TensorFlow）：



```py
>>> batch_sentences = [
...     "But what about second breakfast?",
...     "Don't think he knows about second breakfast, Pip.",
...     "What about elevensies?",
... ]
>>> encoded_input = tokenizer(batch_sentences, padding=True, truncation=True, return_tensors="pt")
>>> print(encoded_input)
{'input_ids': tensor([[101, 1252, 1184, 1164, 1248, 6462, 136, 102, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                      [101, 1790, 112, 189, 1341, 1119, 3520, 1164, 1248, 6462, 117, 21902, 1643, 119, 102],
                      [101, 1327, 1164, 5450, 23434, 136, 102, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]]),
 'token_type_ids': tensor([[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                           [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                           [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]]),
 'attention_mask': tensor([[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                           [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
                           [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]])}
```

## 音频

对于音频任务，您需要[feature extractor](main_classes/feature_extractor)来准备您的数据集以供模型使用。`feature extractor`旨在从原始音频数据中提取特征，并将它们转换为张量。

加载[MInDS-14](https://huggingface.co/datasets/PolyAI/minds14)数据集（有关如何加载数据集的更多详细信息，请参阅🤗 [Datasets教程](https://huggingface.co/docs/datasets/load_hub)）以了解如何在音频数据集中使用`feature extractor`：


```py
>>> from datasets import load_dataset, Audio

>>> dataset = load_dataset("PolyAI/minds14", name="en-US", split="train")
```

访问 `audio` 列的第一个元素以查看输入。调用 `audio` 列会自动加载和重新采样音频文件：

```py
>>> dataset[0]["audio"]
{'array': array([ 0.        ,  0.00024414, -0.00024414, ..., -0.00024414,
         0.        ,  0.        ], dtype=float32),
 'path': '/root/.cache/huggingface/datasets/downloads/extracted/f14948e0e84be638dd7943ac36518a4cf3324e8b7aa331c5ab11541518e9368c/en-US~JOINT_ACCOUNT/602ba55abb1e6d0fbce92065.wav',
 'sampling_rate': 8000}
```

这会返回三个对象：

* `array` 是加载的语音信号 - 并在必要时重新采为`1D array`。
* `path` 指向音频文件的位置。
* `sampling_rate` 是每秒测量的语音信号数据点数量。

对于本教程，您将使用[Wav2Vec2](https://huggingface.co/facebook/wav2vec2-base)模型。查看模型卡片，您将了解到Wav2Vec2是在16kHz采样的语音音频数据上预训练的。重要的是，您的音频数据的采样率要与用于预训练模型的数据集的采样率匹配。如果您的数据的采样率不同，那么您需要对数据进行重新采样。

1. 使用🤗 Datasets的[`~datasets.Dataset.cast_column`]方法将采样率提升到16kHz：

```py
>>> dataset = dataset.cast_column("audio", Audio(sampling_rate=16_000))
```

2. 再次调用 `audio` 列以重新采样音频文件：


```py
>>> dataset[0]["audio"]
{'array': array([ 2.3443763e-05,  2.1729663e-04,  2.2145823e-04, ...,
         3.8356509e-05, -7.3497440e-06, -2.1754686e-05], dtype=float32),
 'path': '/root/.cache/huggingface/datasets/downloads/extracted/f14948e0e84be638dd7943ac36518a4cf3324e8b7aa331c5ab11541518e9368c/en-US~JOINT_ACCOUNT/602ba55abb1e6d0fbce92065.wav',
 'sampling_rate': 16000}
```

接下来，加载一个`feature extractor`以对输入进行标准化和填充。当填充文本数据时，会为较短的序列添加 `0`。相同的理念适用于音频数据。`feature extractor`添加 `0` - 被解释为静音 - 到`array` 。

使用 [`AutoFeatureExtractor.from_pretrained`] 加载`feature extractor`：


```py
>>> from transformers import AutoFeatureExtractor

>>> feature_extractor = AutoFeatureExtractor.from_pretrained("facebook/wav2vec2-base")
```

将音频 `array` 传递给`feature extractor`。我们还建议在`feature extractor`中添加 `sampling_rate` 参数，以更好地调试可能发生的静音错误：


```py
>>> audio_input = [dataset[0]["audio"]["array"]]
>>> feature_extractor(audio_input, sampling_rate=16000)
{'input_values': [array([ 3.8106556e-04,  2.7506407e-03,  2.8015103e-03, ...,
        5.6335266e-04,  4.6588284e-06, -1.7142107e-04], dtype=float32)]}
```

就像`tokenizer`一样，您可以应用填充或截断来处理批次中的可变序列。请查看这两个音频样本的序列长度：


```py
>>> dataset[0]["audio"]["array"].shape
(173398,)

>>> dataset[1]["audio"]["array"].shape
(106496,)
```

创建一个函数来预处理数据集，以使音频样本具有相同的长度。通过指定最大样本长度，`feature extractor`将填充或截断序列以使其匹配：


```py
>>> def preprocess_function(examples):
...     audio_arrays = [x["array"] for x in examples["audio"]]
...     inputs = feature_extractor(
...         audio_arrays,
...         sampling_rate=16000,
...         padding=True,
...         max_length=100000,
...         truncation=True,
...     )
...     return inputs
```

将`preprocess_function`应用于数据集中的前几个示例：


```py
>>> processed_dataset = preprocess_function(dataset[:5])
```

现在样本长度是相同的，并且与指定的最大长度匹配。您现在可以将经过处理的数据集传递给模型了！


```py
>>> processed_dataset["input_values"][0].shape
(100000,)

>>> processed_dataset["input_values"][1].shape
(100000,)
```

## 计算机视觉

对于计算机视觉任务，您需要一个[ image processor](main_classes/image_processor)来准备数据集以供模型使用。图像预处理包括多个步骤将图像转换为模型期望输入的格式。这些步骤包括但不限于调整大小、标准化、颜色通道校正以及将图像转换为张量。

<Tip>

图像预处理通常遵循某种形式的图像增强。图像预处理和图像增强都会改变图像数据，但它们有不同的目的：

* 图像增强可以帮助防止过拟合并增加模型的鲁棒性。您可以在数据增强方面充分发挥创造性 - 调整亮度和颜色、裁剪、旋转、调整大小、缩放等。但要注意不要改变图像的含义。
* 图像预处理确保图像与模型预期的输入格式匹配。在微调计算机视觉模型时，必须对图像进行与模型训练时相同的预处理。

您可以使用任何您喜欢的图像增强库。对于图像预处理，请使用与模型相关联的`ImageProcessor`。

</Tip>

加载[food101](https://huggingface.co/datasets/food101)数据集（有关如何加载数据集的更多详细信息，请参阅🤗 [Datasets教程](https://huggingface.co/docs/datasets/load_hub)）以了解如何在计算机视觉数据集中使用图像处理器：

<Tip>

因为数据集相当大，请使用🤗 Datasets的`split`参数加载训练集中的少量样本！

</Tip>


```py
>>> from datasets import load_dataset

>>> dataset = load_dataset("food101", split="train[:100]")
```

接下来，使用🤗 Datasets的[`Image`](https://huggingface.co/docs/datasets/package_reference/main_classes?highlight=image#datasets.Image)功能查看图像：


```py
>>> dataset[0]["image"]
```

<div class="flex justify-center">
    <img src="https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/vision-preprocess-tutorial.png"/>
</div>

使用 [`AutoImageProcessor.from_pretrained`] 加载`image processor`：

```py
>>> from transformers import AutoImageProcessor

>>> image_processor = AutoImageProcessor.from_pretrained("google/vit-base-patch16-224")
```

首先，让我们进行图像增强。您可以使用任何您喜欢的库，但在本教程中，我们将使用torchvision的[`transforms`](https://pytorch.org/vision/stable/transforms.html)模块。如果您有兴趣使用其他数据增强库，请参阅[Albumentations](https://colab.research.google.com/github/huggingface/notebooks/blob/main/examples/image_classification_albumentations.ipynb)或[Kornia notebooks](https://colab.research.google.com/github/huggingface/notebooks/blob/main/examples/image_classification_kornia.ipynb)中的示例。

1. 在这里，我们使用[`Compose`](https://pytorch.org/vision/master/generated/torchvision.transforms.Compose.html)将[`RandomResizedCrop`](https://pytorch.org/vision/main/generated/torchvision.transforms.RandomResizedCrop.html)和 [`ColorJitter`](https://pytorch.org/vision/main/generated/torchvision.transforms.ColorJitter.html)变换连接在一起。请注意，对于调整大小，我们可以从`image_processor`中获取图像尺寸要求。对于一些模型，精确的高度和宽度需要被定义，对于其他模型只需定义`shortest_edge`。


```py
>>> from torchvision.transforms import RandomResizedCrop, ColorJitter, Compose

>>> size = (
...     image_processor.size["shortest_edge"]
...     if "shortest_edge" in image_processor.size
...     else (image_processor.size["height"], image_processor.size["width"])
... )

>>> _transforms = Compose([RandomResizedCrop(size), ColorJitter(brightness=0.5, hue=0.5)])
```

2. 模型接受 [`pixel_values`](model_doc/visionencoderdecoder#transformers.VisionEncoderDecoderModel.forward.pixel_values) 作为输入。`ImageProcessor` 可以进行图像的标准化，并生成适当的张量。创建一个函数，将图像增强和图像预处理步骤组合起来处理批量图像，并生成 `pixel_values`：


```py
>>> def transforms(examples):
...     images = [_transforms(img.convert("RGB")) for img in examples["image"]]
...     examples["pixel_values"] = image_processor(images, do_resize=False, return_tensors="pt")["pixel_values"]
...     return examples
```

<Tip>

在上面的示例中，我们设置`do_resize=False`，因为我们已经在图像增强转换中调整了图像的大小，并利用了适当的`image_processor`的`size`属性。如果您在图像增强期间不调整图像的大小，请将此参数排除在外。默认情况下`ImageProcessor`将处理调整大小。

如果希望将图像标准化步骤为图像增强的一部分，请使用`image_processor.image_mean`和`image_processor.image_std`。

</Tip>

3. 然后使用🤗 Datasets的[`set_transform`](https://huggingface.co/docs/datasets/process#format-transform)在运行时应用这些变换：


```py
>>> dataset.set_transform(transforms)
```

4. 现在，当您访问图像时，您将注意到`image processor`已添加了 `pixel_values`。您现在可以将经过处理的数据集传递给模型了！


```py
>>> dataset[0].keys()
```

这是在应用变换后的图像样子。图像已被随机裁剪，并其颜色属性发生了变化。


```py
>>> import numpy as np
>>> import matplotlib.pyplot as plt

>>> img = dataset[0]["pixel_values"]
>>> plt.imshow(img.permute(1, 2, 0))
```

<div class="flex justify-center">
    <img src="https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/preprocessed_image.png"/>
</div>

<Tip>

对于诸如目标检测、语义分割、实例分割和全景分割等任务，`ImageProcessor`提供了训练后处理方法。这些方法将模型的原始输出转换为有意义的预测，如边界框或分割地图。

</Tip>

### 填充

在某些情况下，例如，在微调[DETR](./model_doc/detr)时，模型在训练时应用了尺度增强。这可能导致批处理中的图像大小不同。您可以使用[`DetrImageProcessor.pad`]来指定自定义的`collate_fn`将图像批处理在一起。

```py
>>> def collate_fn(batch):
...     pixel_values = [item["pixel_values"] for item in batch]
...     encoding = image_processor.pad(pixel_values, return_tensors="pt")
...     labels = [item["labels"] for item in batch]
...     batch = {}
...     batch["pixel_values"] = encoding["pixel_values"]
...     batch["pixel_mask"] = encoding["pixel_mask"]
...     batch["labels"] = labels
...     return batch
```

## 多模态

对于涉及多模态输入的任务，您需要[processor](main_classes/processors)来为模型准备数据集。`processor`将两个处理对象-例如`tokenizer`和`feature extractor`-组合在一起。

加载[LJ Speech](https://huggingface.co/datasets/lj_speech)数据集（有关如何加载数据集的更多详细信息，请参阅🤗 [Datasets 教程](https://huggingface.co/docs/datasets/load_hub)）以了解如何使用`processor`进行自动语音识别（ASR）：


```py
>>> from datasets import load_dataset

>>> lj_speech = load_dataset("lj_speech", split="train")
```

对于ASR（自动语音识别），主要关注`audio`和`text`，因此可以删除其他列：


```py
>>> lj_speech = lj_speech.map(remove_columns=["file", "id", "normalized_text"])
```

现在查看`audio`和`text`列：

```py
>>> lj_speech[0]["audio"]
{'array': array([-7.3242188e-04, -7.6293945e-04, -6.4086914e-04, ...,
         7.3242188e-04,  2.1362305e-04,  6.1035156e-05], dtype=float32),
 'path': '/root/.cache/huggingface/datasets/downloads/extracted/917ece08c95cf0c4115e45294e3cd0dee724a1165b7fc11798369308a465bd26/LJSpeech-1.1/wavs/LJ001-0001.wav',
 'sampling_rate': 22050}

>>> lj_speech[0]["text"]
'Printing, in the only sense with which we are at present concerned, differs from most if not from all the arts and crafts represented in the Exhibition'
```

请记住，您应始终[重新采样](preprocessing#audio)音频数据集的采样率，以匹配用于预训练模型数据集的采样率！


```py
>>> lj_speech = lj_speech.cast_column("audio", Audio(sampling_rate=16_000))
```

使用[`AutoProcessor.from_pretrained`]加载一个`processor`：


```py
>>> from transformers import AutoProcessor

>>> processor = AutoProcessor.from_pretrained("facebook/wav2vec2-base-960h")
```

1. 创建一个函数，用于将包含在 `array` 中的音频数据处理为 `input_values`，并将 `text` 标记为 `labels`。这些将是输入模型的数据：

```py
>>> def prepare_dataset(example):
...     audio = example["audio"]

...     example.update(processor(audio=audio["array"], text=example["text"], sampling_rate=16000))

...     return example
```

2. 将 `prepare_dataset` 函数应用于一个示例：

```py
>>> prepare_dataset(lj_speech[0])
```

`processor`现在已经添加了 `input_values` 和 `labels`，并且采样率也正确降低为为16kHz。现在可以将处理后的数据集传递给模型！
