Unet3D分割模型——pytorch

本文介绍了一个3D版本的UNet网络实现,包括下采样、上采样模块及最终的卷积层。该网络适用于三维医学影像分割任务,详细展示了各模块的构造方法,并使用了批量归一化和上采样技术。
from torch import nn


class pub(nn.Module):

    def __init__(self, in_channels, out_channels, batch_norm=True):
        super(pub, self).__init__()
        inter_channels = in_channels/2 if in_channels > out_channels else out_channels/2
        layers = [
                    nn.Conv3d(in_channels, inter_channels, 3, stride=1, padding=0),
                    nn.ReLU(True),
                    nn.Conv3d(inter_channels, out_channels, 3, stride=1, padding=0),
                    nn.ReLU(True)
                 ]
        if batch_norm:
            layers.insert(1, nn.BatchNorm3d(inter_channels))
            layers.insert(len(layers)-1, nn.BatchNorm3d(out_channels))
        self.pub = nn.Sequential(*layers)

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


class unet3dDown(nn.Module):

    def __init__(self, in_channels, out_channels, batch_norm=True):
        super(unet3dDown, self).__init__()
        self.pub = pub(in_channels, out_channels, batch_norm)
        self.pool = nn.MaxPool3d(2, stride=2)

    def forward(self, x):
        x = self.pool(x)
        x = self.pub(x)
        return x


class unet3dUp(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels, batch_norm=True, sample=True):
        super(unet3dUp, self).__init__()
        self.pub = pub(in_channels/2+in_channels, out_channels, batch_norm)
        if sample:
            self.sample = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='nearest')
        else:
            self.sample = nn.ConvTranspose3d(in_channels, in_channels, 2, stride=2)

    def forward(self, x, x1):
        x = self.sample(x)
        c1 = (x1.size(2) - x.size(2)) // 2
        c2 = (x1.size(3) - x.size(3)) // 2
        x1 = x1[:, :, c1:-c1, c2:-c2, c2:-c2]
        x = torch.cat((x, x1), dim=1)
        x = self.pub(x)
        return x


class unet3d(nn.Module):
    def __init__(self, init_channels=1, class_nums=1, batch_norm=True, sample=True):
        super(unet3d, self).__init__()
        self.down1 = pub(init_channels, 64, batch_norm)
        self.down2 = unet3dDown(64, 128, batch_norm)
        self.down3 = unet3dDown(128, 256, batch_norm)
        self.down4 = unet3dDown(256, 512, batch_norm)
        self.up3 = unet3dUp(512, 256, batch_norm, sample)
        self.up2 = unet3dUp(256, 128, batch_norm, sample)
        self.up1 = unet3dUp(128, 64, batch_norm, sample)
        self.con_last = nn.Conv3d(64, class_nums, 1)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x):
        x1 = self.down1(x)
        x2 = self.down2(x1)
        x3 = self.down3(x2)
        x4 = self.down4(x3)
        x = self.up3(x4, x3)
        x = self.up2(x, x2)
        x = self.up1(x, x1)
        x = self.con_last(x)
        return self.sigmoid(x)

    def _initialize_weights(self):
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv3d):
                nn.init.kaiming_uniform(m.weight.data)
                if m.bias is not None:
                    m.bias.data.zero_()
            elif isinstance(m, nn.BatchNorm3d):
                m.weight.data.fill_(1)
                m.bias.data.zero_()
03-08
### 3D U-Net架构 3D U-Net是一种专门用于处理三维医学影像数据的神经网络模型。该网络结构同样遵循U型设计,由编码器(下采样路径)和解码器(上采样路径)组成[^2]。在网络的设计中,输入通常是具有三个维度的空间体积数据。 #### 编码器部分 编码器负责提取特征并逐步降低空间分辨率。每一层通常包含多个卷积操作以及激活函数的应用,在某些情况下还会加入批标准化来加速收敛过程。经过几次这样的变换之后,会执行一次最大池化或者步幅卷积以减少尺寸。 #### 解码器部分 解码器的任务是对低维表示进行重建,恢复到原始大小的同时保持重要的语义信息不变。这一过程中采用了反卷积(转置卷积)技术增加空间尺度,并通过跳跃连接将来自相同位置但不同层次的信息结合起来,从而提高分割精度。 ### 实现细节 对于3D U-Net的具体实现而言: - **框架选择**: 可以基于流行的深度学习库如PyTorch或TensorFlow构建。如果考虑性能优化,则可以选择像Caffe这样支持高效GPU运算的平台来进行开发[^1]。 - **硬件需求**: 训练大型3D网络可能需要较高的计算资源,因此建议采用具备强大图形处理器(GPU)的工作站或云端服务。此外,为了节省显存开销,可以利用cuDNN提供的优化算法加快前向传播速度同时减小存储负担。 - **数据预处理与增强**: 输入的数据集应当被裁剪成固定大小的小块以便于批量处理;而实时生成多种变化版本有助于提升泛化能力。 ```python import torch.nn as nn class UNet3D(nn.Module): def __init__(self, in_channels=1, out_channels=1, init_features=32): super().__init__() features = init_features self.encoder1 = UNet3DEncoderBlock(in_channels, features) ... def forward(self, x): enc1 = self.encoder1(x) ... class UNet3DEncoderBlock(nn.Module): def __init__(self, in_channels, features): super().__init__() self.conv1 = nn.Conv3d( in_channels=in_channels, out_channels=features, kernel_size=3, padding=1, bias=False, ) ... ``` ### 应用场景 3D U-Net广泛应用于医疗领域内的各种任务当中,特别是那些涉及器官、肿瘤或其他生物体内部结构识别的情况。例如,在脑部MRI扫描图像分析方面表现出色,可用于自动检测病变区域边界,辅助医生做出更精准诊断决策。
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