深度学习-UNet语义分割二分类与多分类的对比

文章介绍了图像语义分割的任务,它是计算机视觉中将每个像素分配到对应类别的一种技术,常用于自动驾驶和图像识别等领域。重点讨论了UNet网络结构,这是一个用于语义分割的深度神经网络模型,由编码器和解码器组成,能有效地进行特征提取和图像恢复。

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深度学习-UNet语义分割二分类与多分类的对比 - 知乎摘要:前面我们一起聊了下图片的多分类,简单应用包括汉字识别、目标识别、目标检测等等,今天我们来看下图像语义分割任务是做什么的,同样的,今天还是分享构建的思路以及遇到的一些问题。 语义分割是计算机视觉…https://zhuanlan.zhihu.com/p/637600789

摘要:前面我们一起聊了下图片的多分类,简单应用包括汉字识别、目标识别、目标检测等等,今天我们来看下图像语义分割任务是做什么的,同样的,今天还是分享构建的思路以及遇到的一些问题。

语义分割是计算机视觉领域中的一项任务,旨在将图像中的每个像素分配到其对应的语义类别中。与传统的图像分割不同,语义分割不仅分割出图像中的不同区域,还能够根据物体类别进行区分,从而实现对图像的更深入理解和表述。语义分割技术常用于自动驾驶、图像搜索、人脸识别等领域,具有广泛的应用前景。

举个例子

在这张图片中,包含了许多信息,很多定义,有飞机、机箱道路、天空等等一系列的事物,那么这些定义的事物就是这些图片的语义,那么,今天我们就需要把图片中的这些定义划分出对应的区域出来。那么首先我们需要标记这里的飞机,像这样做。

在这里,我们只需要将飞机标记出来,其他区域位置为背景,背景色为黑色,飞机为红色,这样的话,就将原图的色彩表示出来了。下次,网络就能够学习到哪个是飞机?哪个不是飞机了。

如果要实现这样的功能,今天给大家分享一个网络结构,U-Net网络结构它是一种用于语义分割的深度神经网络模型,最初由德国图像实验室(Image Processing Lab,IPL)的研究人员发明。U-Net的基本结构是一个U形网络,其中包含编码器(downsampling path)和解码器(upsampling path)两部分,具有对称结构。编码器用于提取输入图像的特征信息,通过多个卷积层和池化层将输入图像逐步缩小,得到一个语义表达。解码器则将此语义表达映射回原始图像大小,通过多个反卷积和上采样层恢复分辨率,并将特征与对应的编码器层的特征进行融合,从而还原输出目标的位置、形状和语义信息。此外,U-Net在训练时采用了数据增强、损失函数以及可调节参数等方法进行优化,提高了模型的鲁棒性和泛化能力,成为了语义分割领域中的经典模型之一。

咋一看,确实是一个U型结构,按照中心线划分,左边是下采样,右边是上采样,这里我就不过多介绍这个网络结构,我们来看下它的实现。

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### UNet语义分割任务中的应用 #### 实现方法 UNet是一种经典的编解码器架构,最初是为了生物医学图像分析而开发的。该模型的特点在于其跳跃连接机制,这有助于保留更多的空间信息并提高分割精度[^1]。 对于实现方面,在PyTorch框架下有一个名为`UNet-PyTorch`的开源项目可供参考。此项目不仅包含了完整的U-Net网络定义,还提供了预训练权重加载功能以及详细的文档说明来帮助使用者快速入门[^5]。 ```python import torch.nn as nn from torchvision import models 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=1), nn.BatchNorm2d(out_channels), nn.ReLU(inplace=True), nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=3, padding=1), nn.BatchNorm2d(out_channels), nn.ReLU(inplace=True) ) def forward(self, x): return self.double_conv(x) class UNet(nn.Module): def __init__(self, n_channels, n_classes): super(UNet, self).__init__() bilinear = True factor = 2 if bilinear else 1 self.inc = DoubleConv(n_channels, 64) self.down1 = Down(64, 128) self.down2 = Down(128, 256) self.down3 = Down(256, 512 // factor) self.up1 = Up(512, 256 // factor, bilinear) self.up2 = Up(256, 128 // factor, bilinear) self.up3 = 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) x = self.up1(x4, x3) x = self.up2(x, x2) x = self.up3(x, x1) logits = self.outc(x) return logits ``` 上述代码展示了如何构建一个基本版本的U-Net神经网络。其中涉及到了双层卷积模块(`DoubleConv`)的设计思路,即连续两次执行标准二维卷积操作,并配合批标准化(Batch Normalization)激活函数(Rectified Linear Unit),从而形成更加稳定的特征提取过程;此外还包括了上下采样路径之间的跳过链接设计,使得低层次的空间位置关系能够传递至高层次表示中去。 #### 教程资源推荐 为了更好地理解U-Net的工作原理及其具体应用场景下的调优策略,建议查阅一些公开的技术博客文章或在线课程资料: - **官方论文**:阅读原作者发布的《U-net: Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation》可以获取最权威的第一手资讯。 - **GitHub仓库**:访问`UNet-PyTorch`项目的主页可以获得最新的源代码更新通知和技术支持服务。 - **Kaggle竞赛案例**:参各类基于医疗影像识别的比赛活动也是积累实战经验的好机会之一。 #### 最佳实践要点 当利用U-Net解决特定领域的语义分割问题时,有几个关键因素值得特别关注: - 数据增强(Data Augmentation): 对于样本量较小的数据集来说尤为重要。可以通过随机裁剪、旋转等方式扩充有效样本数量,进而提升泛化能力。 - 权重初始化(Weight Initialization): 合理设置初始参数分布有利于加速收敛速度并且减少陷入局部最优的风险。 - 学习率调整(Learning Rate Scheduling): 动态改变优化过程中使用的步长大小可以帮助算法更有效地探索损失曲面地形特征。 - 多尺度融合(Multi-scale Fusion): 结合不同分辨率下的预测结果来进行最终决策往往能得到更好的性能表现.
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