Pytorch深度学习实战教程：UNet语义分割网络

1

前言

本文属于Pytorch深度学习语义分割系列教程。

该系列文章的内容有：

• Pytorch的基本使用

• 语义分割算法讲解

本文的开发环境如下：

• 开发环境：Windows

• 开发语言：Python3.7.4

• 框架版本：Pytorch1.3.0

• CUDA：10.2

• cuDNN：7.6.0

本文主要讲解UNet网络结构，以及相应代码的代码编写。

2

UNet网络结构

在语义分割领域，基于深度学习的语义分割算法开山之作是FCN（Fully Convolutional Networks for Semantic Segmentation），而UNet是遵循FCN的原理，并进行了相应的改进，使其适应小样本的简单分割问题。

UNet论文地址：https://arxiv.org/pdf/1505.04597.pdf

研究一个深度学习算法，可以先看网络结构，看懂网络结构后，再Loss计算方法、训练方法等。本文主要针对UNet的网络结构进行讲解，其它内容会在后续章节进行说明。

1、网络结构原理

UNet最早发表在2015的MICCAI会议上，4年多的时间，论文引用量已经达到了9700多次。

UNet成为了大多做医疗影像语义分割任务的baseline，同时也启发了大量研究者对于U型网络结构的研究，发表了一批基于UNet网络结构的改进方法的论文。

UNet网络结构，最主要的两个特点是：U型网络结构和Skip Connection跳层连接。

UNet是一个对称的网络结构，左侧为下采样，右侧为上采样。

按照功能可以将左侧的一系列下采样操作称为encoder，将右侧的一系列上采样操作称为decoder。

Skip Connection中间四条灰色的平行线，Skip Connection就是在上采样的过程中，融合下采样过过程中的feature map。

Skip Connection用到的融合的操作也很简单，就是将feature map的通道进行叠加，俗称Concat。

Concat操作也很好理解，举个例子：一本大小为10cm*10cm，厚度为3cm的书A，和一本大小为10cm*10cm，厚度为4cm的书B。

将书A和书B，边缘对齐地摞在一起。这样就得到了，大小为10cm*10cm厚度为7cm的一摞书，类似这种：

这种“摞在一起”的操作，就是Concat。

同样道理，对于feature map，一个大小为256*256*64的feature map，即feature map的w（宽）为256，h（高）为256，c（通道数）为64。和一个大小为256*256*32的feature map进行Concat融合，就会得到一个大小为256*256*96的feature map。

在实际使用中，Concat融合的两个feature map的大小不一定相同，例如256*256*64的feature map和240*240*32的feature map进行Concat。

这种时候，就有两种办法：

第一种：将大256*256*64的feature map进行裁剪，裁剪为240*240*64的feature map，比如上下左右，各舍弃8 pixel，裁剪后再进行Concat，得到240*240*96的feature map。

第二种：将小240*240*32的feature map进行padding操作，padding为256*256*32的feature map，比如上下左右，各补8 pixel，padding后再进行Concat，得到256*256*96的feature map。

UNet采用的Concat方案就是第二种，将小的feature map进行padding，padding的方式是补0，一种常规的常量填充。

2、代码

有些朋友可能对Pytorch不太了解，推荐一个快速入门的官方教程。一个小时，你就可以掌握一些基本概念和Pytorch代码编写方法。

Pytorch官方基础：https://github.com/yunjey/pytorch-tutorial

我们将整个UNet网络拆分为多个模块进行讲解。

DoubleConv模块：

先看下连续两次的卷积操作。

从UNet网络中可以看出，不管是下采样过程还是上采样过程，每一层都会连续进行两次卷积操作，这种操作在UNet网络中重复很多次，可以单独写一个DoubleConv模块：

import torch.nn as nn


class DoubleConv(nn.Module):
    """(convolution => [BN] => ReLU) * 2"""


    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super().__init__()
        self.double_conv = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=3, padding=0),
            nn.BatchNorm2d(out_channels),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=3, padding=0),
            nn.BatchNorm2d(out_channels),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )


    def forward(self, x):
        return self.double_conv(x)

解释下，上述的Pytorch代码：torch.nn.Sequential是一个时序容器，Modules 会以它们传入的顺序被添加到容器中。比如上述代码的操作顺序：卷积->BN->ReLU->卷积->BN->ReLU。

DoubleConv模块的in_channels和out_channels可以灵活设定，以便扩展使用。

如上图所示的网络，in_channels设为1，out_channels为64。

输入图片大小为572*572，经过步长为1，padding为0的3*3卷积，得到570*570的feature map，再经过一次卷积得到568*568的feature map。

计算公式：O=(H−F+2×P)/S+1

H为输入feature map的大小，O为输出feature map的大小，F为卷积核的大小，P为padding的大小，S为步长。

Down模块：

UNet网络一共有4次下采样过程，模块化代码如下：

class Down(nn.Module):
    """Downscaling with maxpool then double conv"""


    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super().__init__()
        self.maxpool_conv = nn.Sequential(
            nn.MaxPool2d(2),
            DoubleConv(in_channels, out_channels)
        )


    def forward(self, x):
        return self.maxpool_conv(x)

这里的代码很简单，就是一个maxpool池化层，进行下采样，然后接一个DoubleConv模块。

至此，UNet网络的左半部分的下采样过程的代码都写好了，接下来是右半部分的上采样过程。

Up模块：

上采样过程用到的最多的当然就是上采样了，除了常规的上采样操作，还有进行特征的融合。

这块的代码实现起来也稍复杂一些：

class Up(nn.Module):
    """Upscaling then double conv"""


    def __init__(self, in_channels, out_channels, bilinear=True):
        super().__init__()


        # if bilinear, use the normal convolutions to reduce the number of channels
        if bilinear:
            self.up = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear', align_corners=True)
        else:
            self.up = nn.ConvTranspose2d(in_channels, in_channels // 2, kernel_size=2, stride=2)


        self.conv = DoubleConv(in_channels, out_channels)


    def forward(self, x1, x2):
        x1 = self.up(x1)
        # input is CHW
        diffY = x2.size()[2] - x1.size()[2]
        diffX = x2.size()[3] - x1.size()[3]


        x1 = F.pad(x1, [diffX // 2, diffX - diffX // 2,
                        diffY // 2, diffY - diffY // 2])
        # if you have padding issues, see
        # https://github.com/HaiyongJiang/U-Net-Pytorch-Unstructured-Buggy/commit/0e854509c2cea854e247a9c615f175f76fbb2e3a
        # https://github.com/xiaopeng-liao/Pytorch-UNet/commit/8ebac70e633bac59fc22bb5195e513d5832fb3bd
        x = torch.cat([x2, x1], dim=1)
        return self.conv(x)

代码复杂一些，我们可以分开来看，首先是__init__初始化函数里定义的上采样方法以及卷积采用DoubleConv。上采样，定义了两种方法：Upsample和ConvTranspose2d，也就是双线性插值和反卷积。

双线性插值很好理解，示意图：

熟悉双线性插值的朋友对于这幅图应该不陌生，简单地讲：已知Q11、Q12、Q21、Q22四个点坐标，通过Q11和Q21求R1，再通过Q12和Q22求R2，最后通过R1和R2求P，这个过程就是双线性插值。

对于一个feature map而言，其实就是在像素点中间补点，补的点的值是多少，是由相邻像素点的值决定的。

反卷积，顾名思义，就是反着卷积。卷积是让featuer map越来越小，反卷积就是让feature map越来越大，示意图：

下面蓝色为原始图片，周围白色的虚线方块为padding结果，通常为0，上面绿色为卷积后的图片。

这个示意图，就是一个从2*2的feature map->4*4的feature map过程。

在forward前向传播函数中，x1接收的是上采样的数据，x2接收的是特征融合的数据。特征融合方法就是，上文提到的，先对小的feature map进行padding，再进行concat。

OutConv模块：

用上述的DoubleConv模块、Down模块、Up模块就可以拼出UNet的主体网络结构了。UNet网络的输出需要根据分割数量，整合输出通道，结果如下图所示：

操作很简单，就是channel的变换，上图展示的是分类为2的情况（通道为2）。

虽然这个操作很简单，也就调用一次，为了美观整洁，也封装一下吧。

class OutConv(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super(OutConv, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=1)


    def forward(self, x):
        return self.conv(x)

至此，UNet网络用到的模块都已经写好，我们可以将上述的模块代码都放到一个unet_parts.py文件里，然后再创建unet_model.py，根据UNet网络结构，设置每个模块的输入输出通道个数以及调用顺序，编写如下代码：

""" Full assembly of the parts to form the complete network """
"""Refer https://github.com/milesial/Pytorch-UNet/blob/master/unet/unet_model.py"""


import torch.nn.functional as F


from unet_parts import *




class UNet(nn.Module):
    def __init__(self, n_channels, n_classes, bilinear=False):
        super(UNet, self).__init__()
        self.n_channels = n_channels
        self.n_classes = n_classes
        self.bilinear = bilinear


        self.inc = DoubleConv(n_channels, 64)
        self.down1 = Down(64, 128)
        self.down2 = Down(128, 256)
        self.down3 = Down(256, 512)
        self.down4 = Down(512, 1024)
        self.up1 = Up(1024, 512, bilinear)
        self.up2 = Up(512, 256, bilinear)
        self.up3 = Up(256, 128, bilinear)
        self.up4 = Up(128, 64, bilinear)
        self.outc = OutConv(64, n_classes)


    def forward(self, x):
        x1 = self.inc(x)
        x2 = self.down1(x1)
        x3 = self.down2(x2)
        x4 = self.down3(x3)
        x5 = self.down4(x4)
        x = self.up1(x5, x4)
        x = self.up2(x, x3)
        x = self.up3(x, x2)
        x = self.up4(x, x1)
        logits = self.outc(x)
        return logits
    
if __name__ == '__main__':
    net = UNet(n_channels=3, n_classes=1)
    print(net)

使用命令python unet_model.py，如果没有错误，你会得到如下结果：

UNet(
  (inc): DoubleConv(
    (double_conv): Sequential(
      (0): Conv2d(3, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
      (1): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (2): ReLU(inplace=True)
      (3): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
      (4): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (5): ReLU(inplace=True)
    )
  )
  (down1): Down(
    (maxpool_conv): Sequential(
      (0): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
      (1): DoubleConv(
        (double_conv): Sequential(
          (0): Conv2d(64, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
          (1): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
          (2): ReLU(inplace=True)
          (3): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
          (4): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
          (5): ReLU(inplace=True)
        )
      )
    )
  )
  (down2): Down(
    (maxpool_conv): Sequential(
      (0): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
      (1): DoubleConv(
        (double_conv): Sequential(
          (0): Conv2d(128, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
          (1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
          (2): ReLU(inplace=True)
          (3): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
          (4): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
          (5): ReLU(inplace=True)
        )
      )
    )
  )
  (down3): Down(
    (maxpool_conv): Sequential(
      (0): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
      (1): DoubleConv(
        (double_conv): Sequential(
          (0): Conv2d(256, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
          (1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
          (2): ReLU(inplace=True)
          (3): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
          (4): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
          (5): ReLU(inplace=True)
        )
      )
    )
  )
  (down4): Down(
    (maxpool_conv): Sequential(
      (0): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
      (1): DoubleConv(
        (double_conv): Sequential(
          (0): Conv2d(512, 1024, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
          (1): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
          (2): ReLU(inplace=True)
          (3): Conv2d(1024, 1024, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
          (4): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
          (5): ReLU(inplace=True)
        )
      )
    )
  )
  (up1): Up(
    (up): ConvTranspose2d(1024, 512, kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2))
    (conv): DoubleConv(
      (double_conv): Sequential(
        (0): Conv2d(1024, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
        (1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
        (2): ReLU(inplace=True)
        (3): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
        (4): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
        (5): ReLU(inplace=True)
      )
    )
  )
  (up2): Up(
    (up): ConvTranspose2d(512, 256, kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2))
    (conv): DoubleConv(
      (double_conv): Sequential(
        (0): Conv2d(512, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
        (1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
        (2): ReLU(inplace=True)
        (3): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
        (4): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
        (5): ReLU(inplace=True)
      )
    )
  )
  (up3): Up(
    (up): ConvTranspose2d(256, 128, kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2))
    (conv): DoubleConv(
      (double_conv): Sequential(
        (0): Conv2d(256, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
        (1): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
        (2): ReLU(inplace=True)
        (3): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
        (4): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
        (5): ReLU(inplace=True)
      )
    )
  )
  (up4): Up(
    (up): ConvTranspose2d(128, 64, kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2))
    (conv): DoubleConv(
      (double_conv): Sequential(
        (0): Conv2d(128, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
        (1): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
        (2): ReLU(inplace=True)
        (3): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
        (4): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
        (5): ReLU(inplace=True)
      )
    )
  )
  (outc): OutConv(
    (conv): Conv2d(64, 1, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
  )
)

网络搭建完成，下一步就是使用网络进行训练了，具体实现会在该系列教程的下一篇文章进行讲解。

3

小结

• 本文主要讲解了UNet网络结构，并对UNet网络进行了模块化梳理。

• 下篇文章讲解如何使用UNet网络，编写训练代码。

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