U2Net网络简介

论文名称：U2-Net: Goging Deeper with Nested U-Structure for Salient Object Detetion
论文下载地址：https://arxiv.org/abs/2005.09007
官方源码（Pytorch实现）：https://github.com/xuebinqin/U-2-Net
自己实现的仓库（Pytorch实现）：https://github.com/WZMIAOMIAO/deep-learning-for-image-processing/tree/master/pytorch_segmentation/u2net

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0 前言

U2Net是阿尔伯塔大学（University of Alberta）在2020年发表在CVPR上的一篇文章。该文章中提出的U2Net是针对Salient Object Detetion(SOD)即显著性目标检测任务提出的。而显著性目标检测任务与语义分割任务非常相似，只不过显著性目标检测任务是二分类任务，它的任务是将图片中最吸引人的目标或区域分割出来，故只有前景和背景两类。下图是从DUTS-TR数据集中随便挑的几张图片，第一行是原图，第二行是对应的GT，其中白色区域对应前景（最吸引人的目标或区域）黑色区域对应背景。个人感觉这个任务有点偏主观。

下图展示了当年SOD任务中最先进的一些公开网络在ECSSD数据集上的$max{F}_{\beta }$性能指标。通过对比，U2Net无论是在模型size上还是$max{F}_{\beta }$指标上都优于其他网络。下图中红色的五角星代表的是标准的U2Net(176.3 MB)，蓝色的五角星代表轻量级的U2Net(4.7 MB)。我自己也有利用U2Net做过些分割实验，感觉效果确实不错。

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1 网络结构解析

下图是原论文中的图5，该图展示了整个U2Net网络的结构。通过下图可以看到网络的主体是一个类似UNet的结构，网络的中的每个Encoder和Decoder模块也是类似UNet的结构，也就是在大的UNet中嵌入了一堆小UNet，所以作者给网络取名为U2Net。其实正确的名称是${\mathrm{U}}^2-\mathrm{Net}$，但是打平方符号太麻烦了，所以直接简写成U2Net。

通过上图可以看出，En_1、En_2、En_3、En_4、De_1、De_2、De_3、De_4采用的是同一种Block，只不过深度不同。该Block就是论文中提出的ReSidual U-block简称RSU。详情可见下图（论文中的图2）,下图展示的是RSU-7结构，其中7代表深度，注意最下面的3x3卷积采用的是膨胀卷积，膨胀因子为2。

下图是我自己重绘的RSU-7结构，图中标出了每个输出特征图的shape方便大家进一步理解。

弄清楚RSU结构后，再回过头看U2Net结构。其中En_1和De_1采用的是RSU-7，En_2和De_2采用的是RSU-6，En_3和De_3采用的是RSU-5，En_4和De_4采用的是RSU-4，最后还剩下En_5、En_6和De_5三个模块。这三个模块采用的是RSU-4F，注意RSU-4F和RSU-4两者结构并不相同。在RSU-4F中并没有进行下采样或上采样，而是将采样层全部替换成了膨胀卷积。作者在论文3.2章节中的解释是到En_5时，特征图的分辨率已经很低了，如果接着下采样会丢失很多上下文信息，所以在RSU-4F中就不再进行下采样了。下图是我绘制的RSU-4F，其中带参数d的卷积层全部是膨胀卷积，d为膨胀系数。

接着再来看下saliency map fusion module即显著特征融合模块，通过该模块将不同尺度的saliency map进行融合并得到最终预测概率图。如下图所示，首先收集De_1、De_2、De_3、De_4、De_5以及En_6的输出，然后分别通过一个3x3的卷积层得到channel为1的特征图，接着通过双线性插值缩放到输入图片大小得到Sup1、Sup2、Sup3、Sup4、Sup5和Sup6，然后将这6个特征图进行Concat拼接。最后通过一个1x1的卷积层以及Sigmiod激活函数得到最终的预测概率图。

到此，U2Net的网络结构就已经讲完了。最后根据论文的表1给出标准U2Net和轻量级U2Net的详细配置信息，其中带$†$符号的是轻量级U2Net。其中每个模块里的$I$代表$C_{in}$，$M$代表$C_{mid}$，$O$代表$C_{out}$。

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2 损失计算

在U2Net中损失计算公式如下所示：
$$L=\sum _{m=1}^M{w}_{side}^{(m)}{l}_{side}^{(m)}+w_{fuse}{l}_{fuse}$$
该损失函数可以看成两部分，一部分是上述提到的Sup1、Sup2、Sup3、Sup4、Sup5和Sup6与GT之间的损失(注意，在计算损失前需要将Sup1、Sup2、Sup3、Sup4、Sup5和Sup6通过Sigmoid激活函数得到对应的概率图)，即${\sum }_{m=1}^M{w}_{side}^{(m)}{l}_{side}^{(m)}$，另一部分是最终融合得到的概率图与GT之间的损失，即$w_{fuse}{l}_{fuse}$。其中$l$是二值交叉熵损失(binary cross-entropy loss)，$w$是各损失之间的平衡系数，在源码中$w$全部等于1，$M$等于6即Sup1至Sup6。

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3 评价指标

在论文4.2章节中，作者罗列了6种评价指标，有兴趣的小伙伴可以自行查看。这里只简单介绍其中两个常用的指标：F-measure和MAE。

F-measure是结合了Precision和Recall的综合指标，计算公式如下：
$$F_{\beta }=\frac{(1+{\beta }^2)\times Precision\times Recall}{{\beta }^2\times Precision+Recall}$$
在源码中${\beta }^2$设置为0.3，并且最终报告的是$max{F}_{\beta }$指标。由于Precision和Recall是多个值，所以$F_{\beta }$也是多个值，而$max{F}_{\beta }$取的是其中最大值。

MAE是Mean Absolute Error的缩写，计算公式如下：
$$MAE=\frac{1}{H\times W}{\sum }_{r=1}^H{\sum }_{c=1}^W\left|P(r,c)-G(r,c)\right|$$
其中P代表网络预测的概率图，G代表真实的GT，H和W分别代表图片的高和宽。

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4 DUTS数据集简介

针对SOD任务，公开的数据集也很多，这里只简单介绍DUTS数据集。

• DUTS数据集官方下载地址：http://saliencydetection.net/duts/
• 如果下载不了，可以通过我提供的百度云下载，链接: https://pan.baidu.com/s/1nBI6GTN0ZilqH4Tvu18dow 密码: r7k6
• 其中DUTS-TR为训练集，DUTS-TE是测试（验证）集，数据集解压后目录结构如下：

├── DUTS-TR
│      ├── DUTS-TR-Image: 该文件夹存放所有训练集的图片
│      └── DUTS-TR-Mask: 该文件夹存放对应训练图片的GT标签（Mask蒙板形式）
│
└── DUTS-TE
       ├── DUTS-TE-Image: 该文件夹存放所有测试（验证）集的图片
       └── DUTS-TE-Mask: 该文件夹存放对应测试（验证）图片的GT标签（Mask蒙板形式）

根据官方的介绍，DUTS数据集包含了10553张训练图片，5019张测试图片。其中所有的训练图片采集自ImageNet DET训练/验证集，而所有的测试图片采集自ImageNet DET测试集以及SUN数据集。所有的ground truths(GT)由50个人手动标注。在前言中，我们已经简单展示了DUTS-TR中的部分训练图片以及GT，如下图所示。

下面给出了通过自定义数据集读取方式读取DUTS数据集的简单案例，其中root是指向DUTS-TR以及DUTS-TE所在的根目录，train为True表示读取训练集DUTS-TR，False表示读取测试集DUTS-TE：

import os

import cv2
import torch.utils.data as data


class DUTSDataset(data.Dataset):
    def __init__(self, root: str, train: bool = True, transforms=None):
        assert os.path.exists(root), f"path '{root}' does not exist."
        if train:
            self.image_root = os.path.join(root, "DUTS-TR", "DUTS-TR-Image")
            self.mask_root = os.path.join(root, "DUTS-TR", "DUTS-TR-Mask")
        else:
            self.image_root = os.path.join(root, "DUTS-TE", "DUTS-TE-Image")
            self.mask_root = os.path.join(root, "DUTS-TE", "DUTS-TE-Mask")
        assert os.path.exists(self.image_root), f"path '{self.image_root}' does not exist."
        assert os.path.exists(self.mask_root), f"path '{self.mask_root}' does not exist."

        image_names = [p for p in os.listdir(self.image_root) if p.endswith(".jpg")]
        mask_names = [p for p in os.listdir(self.mask_root) if p.endswith(".png")]
        assert len(image_names) > 0, f"not find any images in {self.image_root}."

        # check images and mask
        re_mask_names = []
        for p in image_names:
            mask_name = p.replace(".jpg", ".png")
            assert mask_name in mask_names, f"{p} has no corresponding mask."
            re_mask_names.append(mask_name)
        mask_names = re_mask_names

        self.images_path = [os.path.join(self.image_root, n) for n in image_names]
        self.masks_path = [os.path.join(self.mask_root, n) for n in mask_names]

        self.transforms = transforms

    def __getitem__(self, idx):
        image_path = self.images_path[idx]
        mask_path = self.masks_path[idx]
        image = cv2.imread(image_path, flags=cv2.IMREAD_COLOR)
        assert image is not None, f"failed to read image: {image_path}"
        image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)  # BGR -> RGB
        h, w, _ = image.shape

        target = cv2.imread(mask_path, flags=cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
        assert target is not None, f"failed to read mask: {mask_path}"

        if self.transforms is not None:
            image, target = self.transforms(image, target)

        return image, target

    def __len__(self):
        return len(self.images_path)


if __name__ == '__main__':
    train_dataset = DUTSDataset("/data/DUTS", train=True)
    print(len(train_dataset))

    val_dataset = DUTSDataset("/data/DUTS", train=False)
    print(len(val_dataset))

    i, t = train_dataset[0]

终端输出：

10553
5019