U-Net: нейросеть для сегментации изображений

30 ноября 2018
u-net

U-Net: нейросеть для сегментации изображений

U-Net считается одной из стандартных архитектур CNN для задач сегментации изображений, когда нужно не только определить класс изображения целиком, но и сегментировать его области по классу, т. е. создать маску,…

U-Net считается одной из стандартных архитектур CNN для задач сегментации изображений, когда нужно не только определить класс изображения целиком, но и сегментировать его области по классу, т. е. создать маску, которая будет разделять изображение на несколько классов. Архитектура состоит из стягивающего пути для захвата контекста и симметричного расширяющегося пути, который позволяет осуществить точную локализацию.

Пример сегментации мозга

Сеть обучается сквозным способом на небольшом количестве изображений и превосходит предыдущий наилучший метод (сверточную сеть со скользящим окном) на соревновании ISBI по сегментации нейронных структур в электронно-микроскопических стеках. Используя ту же сеть, которая была обучена на изображениях световой микроскопии пропускания (фазовый контраст и DIC), U-Net заняла первое место в конкурсе ISBI 2015 года по трекингу клеток в этих категориях с большим отрывом. Кроме того, эта сеть работает быстро. Сегментация изображения 512×512 занимает менее секунды на современном графическом процессоре.

Для U-Net хатактерно:

  • достижение высоких результатов в различных реальных задачах, особенно для биомедицинских приложений;
  • использование небольшого количества данных для достижения хороших результатов.

Архитектура U-Net

архитектура u-net
Рисунок 1. Архитектура U-net (пример изображения с разрешением 32×32 пикселя — самым низким). Каждый синий квадрат соответствует многоканальной карте свойств. Количество каналов приведено в верхней части квадрата. Размер x-y приведен в нижнем левом краю квадрата. Белые квадраты представляют собой копии карты свойств. Стрелки обозначают различные операции.

Архитектура сети приведена на рисунке 1. Она состоит из сужающегося пути (слева) и расширяющегося пути (справа). Сужающийся путь — типичная архитектуре сверточной нейронной сети. Он состоит из повторного применения двух сверток 3×3, за которыми следуют инит ReLU и операция максимального объединения (2×2 степени 2) для понижения разрешения.

На каждом этапе понижающей дискретизации каналы свойств удваиваются. Каждый шаг в расширяющемся пути состоит из операции повышающей дискретизации карты свойств, за которой следуют:

  • свертка 2×2, которая уменьшает количество каналов свойств;
  • объединение с соответствующим образом обрезанной картой свойств из стягивающегося пути;
  • две 3×3 свертки, за которыми следует ReLU.

Обрезка необходима из-за потери граничных пикселей при каждой свертке.

Схема U-Net
Схема сети U-net

На последнем слое используется свертка 1×1 для сопоставления каждого 64-компонентного вектора свойств с желаемым количеством классов. Всего сеть содержит 23 сверточных слоя.

Обучение U-Net

Сеть обучается методом стохастического градиентного спуска на основе входных изображений и соответствующих им карт сегментации. Из-за сверток выходное изображение меньше входного сигнала на постоянную ширину границы. Применяемая попиксельно, функция soft-max вычисляет энергию по окончательной карте свойств вместе с функцией кросс-энтропии. Кросс-энтропия, вычисляемая в каждой точке, определяется так:

кросс-энтропия u-net

Граница разделения вычисляется с использованием морфологических операций. Затем вычисляется карта весовых коэффициентов:

где wc — карта весов для балансировки частот классов, d1 — расстояние до границы ближайшей ячейки, а d2 — расстояние до границы второй ближайшей ячейки.

Примеры использования и реализации

U-net неоднократно использовалась для сегментации изображений. Ниже приведены некоторые из них:

Как видно из примера, эта сеть универсальна и может использоваться для любой разумной задачи сегментации изображений. Высокая точность достигается при условии надлежащего обучения, подходящего датасета и правильного выбора времени обучения. Если мы рассмотрим список более продвинутых примеров U-net, можно увидеть еще несколько паттернов применения:

[Pytorch][Tensorflow][Keras]

Результаты

Рисунок 2. Результаты сегментации (IOU) на соревновании ISBI 2015 года по трекингу клеток.

U-Net применялся в задаче сегментации клеток на изображениях с оптического микроскопа. Эта задача сегментации является частью конкурсов ISBI 2014 и 2015 годов по трекингу клеток.

Датасет PhC-U373 содержит изображения клетки U373 Glioblastoma-astrocytoma на полиакриламидной подложке, записанные методом фазово-контрастной микроскопии. Он содержит 35 частично помеченных изображений для обучения. В этом случае U-Net достигла среднего значения IOU (пересечение по объединению), равного 92%, что значительно лучше предыдущего результата: 83% (см. рис. 2).

Второй датасет DIC-HeLa содержит фотографии клеток HeLa на плоском стекле, записанные с помощью микроскопии дифференциального интерференционного контраста (DIC) (см. рисунки ниже). Он содержит 20 частично помеченных изображений для обучения. В этом случае U-Net достигла среднего значения IOU 77,5%, что значительно лучше, чем последующий алгоритм с его 46%.

результаты работы u-net
Результаты соревнования ISBI по трекингу клеток. (a) Часть входного изображения датасета PhC-U373. (b) Результат сегментации (голубая маска) и метка (желтая граница). (c) Входное изображение датасета DIC-HeLa. (d) Результат сегментации (цветные маски) и метки (желтая рамка).

Архитектура U-net достигает выдающейся производительности и точности в самых разных приложениях биомедицинской сегментации. Метод требует лишь нескольких помеченных изображений для тренировки и имеет приемлемое время обучения: всего лишь 10 часов на графическом процессоре NVidia Titan (6 ГБ).

VGG16 — сверточная сеть для выделения признаков изображений

23 ноября 2018
vgg16 нейронная сеть

VGG16 — сверточная сеть для выделения признаков изображений

VGG16 — модель сверточной нейронной сети, предложенная K. Simonyan и A. Zisserman из Оксфордского университета в статье “Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition”. Модель достигает точности 92.7% —…

VGG16 — модель сверточной нейронной сети, предложенная K. Simonyan и A. Zisserman из Оксфордского университета в статье “Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition”. Модель достигает точности 92.7% — топ-5, при тестировании на ImageNet в задаче распознавания объектов на изображении. Этот датасет состоит из более чем 14 миллионов изображений, принадлежащих к 1000 классам.

VGG16 — одна из самых знаменитых моделей, отправленных на соревнование ILSVRC-2014. Она является улучшенной версией AlexNet, в которой заменены большие фильтры (размера 11 и 5 в первом и втором сверточном слое, соответственно) на несколько фильтров размера 3х3, следующих один за другим. Сеть VGG16 обучалась на протяжении нескольких недель при использовании видеокарт NVIDIA TITAN BLACK.

слои vgg16

Датасет

ImageNet — набор данных, состоящий из более чем 15 миллионов размеченных высококачественных изображений, разделенных на 22000 категорий. Изображения были взяты из интернета и размечены вручную людьми-разметчиками с помощью краудсорсинговой площадки Mechanical Turk от Amazon.

В 2010 году, как часть Pascal Visual Object Challenge, началось ежегодное соревнование — ImageNet Large-Scale Visual Recognition Challenge (ILSVRC). В ILSVRC используется подвыборка из ImageNet размером 1000 изображений в каждой из 1000 категорий. Таким образом, тренировочный сет состоял из примерно 1.2 миллионов изображений, проверочный — 50000 изображений, тестовый — 150000 изображений. Так как ImageNet состоит из изображений разного размера, то их необходимо было привести к единому размеру 256х256. Если изображение представляет из себя прямоугольник, то оно масштабируется и из него вырезается центральная часть размером 256х256.

Архитектура

Архитектура VGG16 представлена на рисунке ниже.

Архитектура нейросети vgg16

На вход слоя conv1 подаются RGB изображения размера 224х224. Далее изображения проходят через стек сверточных слоев, в которых используются фильтры с очень маленьким рецептивным полем размера 3х3 (который является наименьшим размером для получения представления о том,где находится право/лево, верх/низ, центр).

В одной из конфигураций используется сверточный фильтр размера 1х1, который может быть представлен как линейная трансформация входных каналов (с последующей нелинейностью). Сверточный шаг фиксируется на значении 1 пиксель. Пространственное дополнение (padding) входа сверточного слоя выбирается таким образом, чтобы пространственное разрешение сохранялось после свертки, то есть дополнение равно 1 для 3х3 сверточных слоев. Пространственный пулинг осуществляется при помощи пяти max-pooling слоев, которые следуют за одним из сверточных слоев (не все сверточные слои имеют последующие max-pooling). Операция max-pooling выполняется на окне размера 2х2 пикселей с шагом 2.

После стека сверточных слоев (который имеет разную глубину в разных архитектурах) идут три полносвязных слоя: первые два имеют по 4096 каналов, третий — 1000 каналов (так как в соревновании ILSVRC требуется классифицировать объекты по 1000 категориям; следовательно, классу соответствует один канал). Последним идет soft-max слой. Конфигурация полносвязных слоев одна и та же во всех нейросетях.

Все скрытые слои снабжены ReLU. Отметим также, что сети (за исключением одной) не содержат слоя нормализации (Local Response Normalisation), так как нормализация не улучшает результата на датасете ILSVRC, а ведет к увеличению потребления памяти и времени исполнения кода.

Конфигурация

Конфигурации сверточных сетей представлены на рисунке 2. Каждая сеть соответствует своему имени (A-E). Все конфигурации имеют общую конструкцию, представленную в архитектуре, и различаются только глубиной: от 11 слоев с весами в сети A (8 сверточных и 3 полносвязных слоя) до 19 (16 сверточных и 3 полносвязных слоя). Ширина сверточных слоев (количество каналов) относительно небольшая: от 64 в первом слое до 512 в последнем с увеличением количества каналов в 2 раза после каждого max-pooling слоя.

vgg16
Рисунок 2

Реализация

К сожалению, сеть VGG имеет два серьезных недостатка:

  1. Очень медленная скорость обучения.
  2. Сама архитектура сети весит слишком много (появляются проблемы с диском и пропускной способностью)

Из-за глубины и количества полносвязных узлов, VGG16 весит более 533 МБ. Это делает процесс развертывания VGG утомительной задачей. Хотя VGG16 и используется для решения многих проблем классификации при помощи нейронных сетей, меньшие архитектуры более предпочтительны (SqueezeNet, GoogLeNet и другие). Несмотря на недостатки, данная архитектура является отличным строительным блоком для обучения, так как её легко реализовать.

[Pytorch]

[Tensorflow]

[Keras]

Результаты

VGG16 существенно превосходит в производительности прошлые поколения моделей в соревнованиях ILSVRC-2012 and ILSVRC-2013. Достигнутый VGG16 результат сопоставим с победителем соревнования по классификации (GoogLeNet с ошибкой 6.7%) в 2014 году и значительно опережает результат Clarifai победителя ILSVRC-2013, который показал ошибку 11.2% с внешними тренировочными данными и 11.7% без них. Что касается одной сети, архитектура VGG16 достигает наилучшего результата (7.0% ошибки на тесте), опережаю одну сеть GoogLeNet на 0.9%.

Было показано, что глубина представления положительно влияет на точность классификации, и state-of-the-art результат на соревновательном датасете ImageNet может быть достигнут с помощью обычной сверточной нейронной сети с значительно большей глубиной.

AlexNet — свёрточная нейронная сеть для классификации изображений

1 ноября 2018

AlexNet — свёрточная нейронная сеть для классификации изображений

AlexNet — сверточная нейронная сеть, которая оказала большое влияние на развитие машинного обучения, в особенности — на алгоритмы компьютерного зрения. Сеть с большим отрывом выиграла конкурс по распознаванию изображений ImageNet LSVRC-2012…

AlexNet — сверточная нейронная сеть, которая оказала большое влияние на развитие машинного обучения, в особенности — на алгоритмы компьютерного зрения. Сеть с большим отрывом выиграла конкурс по распознаванию изображений ImageNet LSVRC-2012 в 2012 году (с количеством ошибок 15,3% против 26,2% у второго места).

Архитектура AlexNet схожа с созданной Yann LeCum сетью LeNet. Однако у AlexNet больше фильтров на слое и вложенных сверточных слоев. Сеть включает в себя свертки, максимальное объединение, дропаут, аугментацию данных, функции активаций ReLU и стохастический градиентный спуск.

Особенности AlexNet

  1. Как функция активации используется Relu вместо арктангенса для добавления в модель нелинейности. За счет этого при одинаковой точности метода скорость становится в 6 раз быстрее.
  2. Использование дропаута вместо регуляризации решает проблему переобучения. Однако время обучения удваивается с показателем дропаута 0,5.
  3. Производится перекрытие объединений для уменьшения размера сети. За счет этого уровень ошибок первого и пятого уровней снижаются до 0,4% и 0,3%, соответственно.

Датасет ImageNet

ImageNet — набор из 15 миллионов помеченных изображений с высоким разрешением, разделенных на 22 000 категорий. Изображения собраны в интернете и помечены вручную с помощью краудсорсинга Amazon’s Mechanical Turk. Начиная с 2010 года проводится ежегодный конкурс ImageNet Large-Scale Visual Recognition Challenge (ILSVRC), являющийся частью Pascal Visual Object Challenge. В челлендже используется часть датасета ImageNet с 1000 изображений в каждой из 1000 категорий. Всего получается 1,2 миллиона изображений для обучения, 50 000 изображений для проверки и 150 000 — для тестирования. ImageNet состоит из изображений с разным разрешением. Поэтому для конкурса их масштабируют до фиксированного разрешения 256 × 256. Если изначально изображение было прямоугольным, то его обрезают до квадрата в центре изображения.

Архитектура

Рисунок 1

Архитектура сети приведена на рисунке 1. AlexNet содержит восемь слоев с весовыми коэффициентами. Первые пять из них сверточные, а остальные три — полносвязные. Выходные данные пропускаются через функцию потерь softmax, которая формирует распределение 1000 меток классов. Сеть максимизирует многолинейную логистическую регрессию, что эквивалентно максимизации среднего по всем обучающим случаям логарифма вероятности правильной маркировки по распределению ожидания. Ядра второго, четвертого и пятого сверточных слоев связаны только с теми картами ядра в предыдущем слое, которые находятся на одном и том же графическом процессоре. Ядра третьего сверточного слоя связаны со всеми картами ядер второго слоя. Нейроны в полносвязных слоях связаны со всеми нейронами предыдущего слоя.

Таким образом, AlexNet содержит 5 сверточных слоев и 3 полносвязных слоя. Relu применяется после каждого сверточного и полносвязного слоя. Дропаут применяется перед первым и вторым полносвязными слоями. Сеть содержит 62,3 миллиона параметров и затрачивает 1,1 миллиарда вычислений при прямом проходе.  Сверточные слои, на которые приходится 6% всех параметров, производят 95% вычислений.

Обучение

AlexNet проходит 90 эпох. Обучение занимает 6 дней одновременно на двух графических процессорах Nvidia Geforce GTX 580, что является причиной того, что сеть разделена на две части. Используется стохастический градиентный спуск со скоростью обучения 0,01, импульсом 0,9 и распадом весовых коэффициентов 0,0005. Скорость обучения делится на 10 после насыщения точности и снижается в 3 раза в течение обучения. Схема обновления весовых коэффициентов w имеет вид:

где i — номер итерации, v — переменная импульса, а epsilon — скорость обучения. В ходе всего этапа обучения скорость обучения выбиралась равной для всех слоев и корректировалась вручную. Последующая эвристика заключалась в том, чтобы разделить скорость обучения на 10, когда количество ошибок при проверке переставало уменьшаться.

Примеры использования и реализация

Результаты показывают, что большая, глубокая сверточная нейронная сеть способна достигать рекордных результатов на очень сложных датасетах, используя только обучение с учителем. Через год после публикации AlexNet все участники конкурса ImageNet стали использовать сверточные нейронные сети для решения задачи классификации. AlexNet была первой реализацией сверточных нейронных сетей и открыла новую эру исследований. Сейчас реализовать AlexNet стало проще с помощью библиотек глубокого обучения: PyTorch, TensorFlow, Keras.

Результат

Сеть достигает следующего уровня ошибок первого и пятого уровней: 37,5% и 17,0%, соответственно. Лучшая производительность, достигнутая в ходе конкурса ILSVRC-2010, составляла 47,1% и 28,2% при использовании подхода, в котором усредняются предсказания, полученные шестью моделями с разреженным кодированием, обученных на различных векторах свойств.  С тех пор достигнуты результаты: 45,7% и 25,7% при использовании подхода, в котором усредняются предсказания двух классификаторов, обучаемых на векторах Фишера. Результаты ILSVRC-2010 приведены в таблице 1.

 

 

 

Слева: восемь тестовых изображений ILSVRC-2010 и пять ярлыков, которые наиболее вероятны по мнению модели. Правильная метка записывается под каждым изображением, а вероятность показана красной полосой, если она находится в верхней пятерке. Справа: пять тестовых изображений ILSVRC-2010 в первом столбце. В остальных столбцах показаны шесть обучающих изображений.