圖像分割的U-Net系列方法
作者：taigw
來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/57530767
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在圖像分割任務特別是醫(yī)學圖像分割中，U-Net[1]無疑是最成功的方法之一，該方法在2015年MICCAI會議上提出，目前已達到四千多次引用。其采用的編碼器（下采樣）-解碼器（上采樣）結構和跳躍連接是一種非常經(jīng)典的設計方法。目前已有許多新的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡設計方式，但很多仍延續(xù)了U-Net的核心思想，加入了新的模塊或者融入其他設計理念。本文對U-Net及其幾種改進版做一個介紹。
U-Net和3D U-Net
U-Net最初是一個用于二維圖像分割的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡，分別贏得了ISBI 2015細胞追蹤挑戰(zhàn)賽和齲齒檢測挑戰(zhàn)賽的冠軍[2]。U-Net的一個Karas實現(xiàn)代碼：
https://github.com/zhixuhao/unet
U-Net的結構如下圖所示，左側可視為一個編碼器，右側可視為一個解碼器。編碼器有四個子模塊，每個子模塊包含兩個卷積層，每個子模塊之后有一個通過max pool實現(xiàn)的下采樣層。輸入圖像的分辨率是572x572, 第1-5個模塊的分辨率分別是572x572, 284x284, 140x140, 68x68和32x32。由于卷積使用的是valid模式，故這里后一個子模塊的分辨率等于（前一個子模塊的分辨率-4）/2。解碼器包含四個子模塊，分辨率通過上采樣操作依次上升，直到與輸入圖像的分辨率一致（由于卷積使用的是valid模式，實際輸出比輸入圖像小一些）。該網(wǎng)絡還使用了跳躍連接，將上采樣結果與編碼器中具有相同分辨率的子模塊的輸出進行連接，作為解碼器中下一個子模塊的輸入。
3D U-Net[3]是U-Net的一個簡單擴展，應用于三維圖像分割，結構如下圖所示。相比于U-Net，該網(wǎng)絡僅用了三次下采樣操作，在每個卷積層后使用了batch normalization，但3D U-Net和U-Net均沒有使用dropout。
在2018年MICCAI腦腫瘤分割挑戰(zhàn)賽(brats)中[4]，德國癌癥研究中心的團隊使用3D U-Net，僅做了少量的改動，取得了該挑戰(zhàn)賽第二名的成績，發(fā)現(xiàn)相比于許多新的網(wǎng)絡，3D U-Net仍然十分具有優(yōu)勢[5]。3D U-Net的一種Pytorch實現(xiàn)：
https://github.com/wolny/pytorch-3dunet
TernausNet
TernausNet全稱為"TernausNet: U-Net with VGG11 Encoder Pre-Trained on ImageNet for Image Segmentation"[6]。該網(wǎng)絡將U-Net中的編碼器替換為VGG11，并在ImageNet上進行預訓練，從735個參賽隊伍中脫穎而出，取得了Kaggle 二手車分割挑戰(zhàn)賽（Carvana Image Masking Challenge）第一名。代碼鏈接：
https://github.com/ternaus/TernausNet
下圖是該網(wǎng)絡的示意圖：
Res-UNet 和Dense U-Net
Res-UNet和Dense-UNet分別受到殘差連接和密集連接的啟發(fā)，將UNet的每一個子模塊分別替換為具有殘差連接和密集連接的形式。[6] 中將Res-UNet用于視網(wǎng)膜圖像的分割，其結構如下圖所示，其中灰色實線表示各個模塊中添加的殘差連接。
密集連接即將子模塊中某一層的輸出分別作為后續(xù)若干層的輸入的一部分，某一層的輸入則來自前面若干層的輸出的組合。下圖是[7]中的密集連接的一個例子。該文章中將U-Net的各個子模塊替換為這樣的密集連接模塊，提出Fully Dense UNet 用于去除圖像中的偽影。
MultiResUNet
MultiResUNet[8]提出了一個MutiRes模塊與UNet結合。MutiRes模塊如下圖所示，是一個殘差連接的擴展，在該模塊中三個3x3的卷積結果拼接起來作為一個組合的特征圖，再與輸入特征圖經(jīng)過1x1卷積得到的結果相加。
該網(wǎng)絡的結構圖如下圖所示，其中各個MultiRes模塊的內(nèi)部即為上圖所示。
該網(wǎng)絡除了MultiRes模塊以外，還提出了一個殘差路徑(ResPath), 使編碼器的特征在與解碼器中的對應特征拼接之前，先進行了一些額外的卷積操作，如下圖所示。作者認為編碼器中的特征由于卷積層數(shù)較淺，是低層次的特征，而解碼器中對應的特征由于卷積層更深，是較高層次的特征，二者在語義上有較大差距，推測不宜直接將二者進行拼接。因此，使用額外的ResPath使二者在拼接前具有一致的深度，在ResPath1， 2， 3， 4中分別使用4，3，2，1個卷積層。
該文章在ISIC、CVC-ClinicDB、Brats等多個數(shù)據(jù)集上驗證了其性能。代碼鏈接為
https://github.com/nibtehaz/MultiResUNet
R2U-Net
R2U-Net全稱叫做Recurrent Residual CNN-based U-Net[9]。該方法將殘差連接和循環(huán)卷積結合起來，用于替換U-Net中原來的子模塊，如下圖所示
其中環(huán)形箭頭表示循環(huán)連接。下圖表示了幾種不同的子模塊內(nèi)部結構圖，(a）是常規(guī)的U-Net中使用的方法，(b)是在(a)的基礎上循環(huán)使用包含激活函數(shù)的卷積層，（c)是使用殘差連接的方式，(d)是該文章提出的結合（b）和（c)的循環(huán)殘差卷積模塊。
該方法也在皮膚病圖像、視網(wǎng)膜圖像、肺部圖像等幾個公共數(shù)據(jù)集驗證了其性能，代碼鏈接：
https://github.com/LeeJunHyun/Image_Segmentation#r2u-net
Attention UNet
Attention UNet[10]在UNet中引入注意力機制，在對編碼器每個分辨率上的特征與解碼器中對應特征進行拼接之前，使用了一個注意力模塊，重新調整了編碼器的輸出特征。該模塊生成一個門控信號，用來控制不同空間位置處特征的重要性，如下圖中紅色圓圈所示。
該方法的注意力模塊內(nèi)部如下圖所示，該模塊通過1x1x1的卷積分別與ReLU和Sigmoid結合，生成一個權重圖
?, 通過與編碼器中的特征相乘來對其進行校正。
下圖展示了注意力權重圖的可視化效果。從左至右分別是一幅圖像和隨著訓練次數(shù)的增加該圖像中得到的注意力權重。可見得到的注意力權重傾向于在目標器官區(qū)域取得大的值，在背景區(qū)域取得較小的值，有助于提高圖像分割的精度。
該文章的代碼鏈接：
https://github.com/ozan-oktay/Attention-Gated-Networks
其他
基于U-Net框架設計的圖像分割網(wǎng)絡還有很多，難以一一列舉，這里再提供兩篇具有參考性的文章：
AnatomyNet: Deep 3D Squeeze-and-excitation U-Nets for fast and fully automated whole-volume anatomical segmentation
H-DenseUNet: Hybrid Densely Connected UNet for Liver and Liver Tumor Segmentation from CT Volumes
總結
UNet是一個經(jīng)典的網(wǎng)絡設計方式，在圖像分割任務中具有大量的應用。也有許多新的方法在此基礎上進行改進，融合更加新的網(wǎng)絡設計理念，但目前幾乎沒有人對這些改進版本做過比較綜合的比較。由于同一個網(wǎng)絡結構可能在不同的數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)出不一樣的性能，在具體的任務場景中還是要結合數(shù)據(jù)集來選擇合適的網(wǎng)絡。希望本文對做圖像分割的同學有所啟發(fā)。
參考文章：
[1] Ronneberger, Olaf, Philipp Fischer, and Thomas Brox. "U-net: Convolutional networks for biomedical image segmentation." In?International Conference on Medical image computing and computer-assisted intervention, pp. 234-241. Springer, Cham, 2015.
[2]?U-Net: Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation
（鏈接：https://lmb.informatik.uni-freiburg.de/people/ronneber/u-net/ ）
[3] ?i?ek, ?zgün, Ahmed Abdulkadir, Soeren S. Lienkamp, Thomas Brox, and Olaf Ronneberger. "3D U-Net: learning dense volumetric segmentation from sparse annotation." In?International conference on medical image computing and computer-assisted intervention, pp. 424-432. Springer, Cham, 2016.
[4]?Section for Biomedical Image Analysis (SBIA)
（ 鏈接：https://www.med.upenn.edu/sbia/brats2018/data.html ）
[5] Isensee, Fabian, Philipp Kickingereder, Wolfgang Wick, Martin Bendszus, and Klaus H. Maier-Hein. "No new-net." In?International MICCAI Brainlesion Workshop, pp. 234-244. Springer, Cham, 2018.
[6] Xiao, Xiao, Shen Lian, Zhiming Luo, and Shaozi Li. "Weighted Res-UNet for High-Quality Retina Vessel Segmentation." In?2018 9th International Conference on Information Technology in Medicine and Education (ITME), pp. 327-331. IEEE, 2018.
[7] Guan, Steven, Amir Khan, Siddhartha Sikdar, and Parag V. Chitnis. "Fully Dense UNet for 2D Sparse Photoacoustic Tomography Artifact Removal."?arXiv preprint arXiv:1808.10848?(2018).
[8] Ibtehaz, Nabil, and M. Sohel Rahman. "MultiResUNet: Rethinking the U-Net Architecture for Multimodal Biomedical Image Segmentation."?arXiv preprint arXiv:1902.04049?(2019).
[9] Alom, Md Zahangir, Mahmudul Hasan, Chris Yakopcic, Tarek M. Taha, and Vijayan K. Asari. "Recurrent residual convolutional neural network based on u-net (r2u-net) for medical image segmentation."?arXiv preprint arXiv:1802.06955?(2018).
[10] Oktay, Ozan, Jo Schlemper, Loic Le Folgoc, Matthew Lee, Mattias Heinrich, Kazunari Misawa, Kensaku Mori et al. "Attention U-Net: learning where to look for the pancreas."?arXiv preprint arXiv:1804.03999?(2018).
