[论文阅读] Curriculum Semi-supervised Segmentation

[论文地址] [代码] [MICCAI 19]

Abstract

本研究调查了半监督CNN分割的课程式策略，它设计了一个回归网络来学习图像级信息，如目标区域的大小。这些回归被用来有效地规范分割网络，约束未标记图像的softmax预测，使其与推断的标签分布相匹配。我们的框架基于不等式约束，可以容忍推断出的知识中的不确定性，例如，回归的区域大小。它可以用于大量的区域属性。我们评估了我们的方法在磁共振图像(MRI)中的左心室分割，并将其与标准的基于建议的半监督策略相比较。我们的方法取得了有竞争力的结果，以更有效的方式利用了未标记的数据，并接近完全监督的性能。

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Method

本文引入了一个额外的(分类)任务来辅助半监督学习，即做一种Dual-Task Consistency，具体流程如下：

可以看到整个框架有两个任务，一个是主任务，分割；另一个是辅助任务，回归。本文的一个亮点在于，这两个任务并不是同时协同训练的，而是有一个先后顺序，即所谓的课程学习Curriculum Learning。具体来说，首先利用有标注的图像训练一个回归网络，预测病灶的大小：$$\underset{\tilde{\mathbf{\theta }}}{\min }\sum _{i\in \mathcal{S}}{\left(R\left(X_i\mid \tilde{\mathbf{\theta }}\right)-\sum _{p\in \Omega }{Y}_{i,p}\right)}^2$$ 再看基础的分割loss，如下，交叉熵损失：$${\mathcal{L}}_Y(\mathbf{\theta })=-\sum _{i\in \mathcal{S}}\sum _{p\in \Omega }{Y}_{i,p}\log S{\left(X_i\mid \mathbf{\theta }\right)}_p$$ 现在，在有了一个额外的回归网络后，我们就可以对分割loss作出进一步的约束，即分割预测map的面积要与回归网络预测的病灶面积保持一致：$$\begin{array}{l}\text{ s.t. }\forall i\in \mathcal{U}:(1-\gamma )R\left(X_i\mid \tilde{\mathbf{\theta }}\right)\le {\sum }_{p\in \Omega }S{\left(X_i\mid \mathbf{\theta }\right)}_p\le (1+\gamma )R\left(X_i\mid \tilde{\mathbf{\theta }}\right)\end{array}$$ 由于分类任务比分割任务要简单，因此利用这一额外的约束可以指导分割网络产生更符合逻辑的结果。