【医学分割】u2net

概述

u2net是在unet的基础上提出来的，是一个效果非常棒的显著性目标检测模型。
显著性目标检测：分割出图像的主体。
模型提出的主要背景是两部分：
1、分割任务的backbone主要是一些预训练模型。因为一些分割backbone的效果没有预训练模型的效果好，所以大家也都采用预训练模型了。问题：他么并不是为了分割而设计的，对于分割任务中比较关键的局部细节和全局对比信息关注不够，所以想要更加好的适应分割还需要在这个基础上加一些特殊的结构，实现对于提取的特征的更好的利用，这就带来了计算复杂度。
2、模型一般比较深，考虑到显存和计算的开销，会在最前面的一些层中对图片先做一些下采样操作，降低分辨率。问题：其实对于分割任务而言，高分辨率图像中丰富的空间信息是需要好好利用的。

u2net成功的解决了这两个问题，提出了两层嵌套的u形结构，可以从头训练网络而不依赖于预训练模型，特征提取的效果和预训练模型一样棒，并且不需要额外的结构处理这些特征。另外它在网络变深之后，还能保持高分辨率（因为RSU中大量的池化操作），并且带来的的显存和计算量的开销也是非常友好的。

细节

网络结构

以下就是u2net的网络结构，总体还是unet的u形结构，但是其中的每层或者每个stage由unet中朴素的卷积结构变为了RUS（Residual U-blocks），然后每个decoder的侧边输出都收到gt的监督，所有的侧边输出做concat之后，在进行卷积操作就是最终的网络输出了。
之前的研究还有堆叠或者级联unet得到$u\ast n-net$，但是作者是嵌套或者指数表示unuet去了，显然嵌套的数量可以很大，即$u^{n}net$，但是考虑实际情况，还是嵌套一层得到$u^{2}net$
然后每个RSU的层数随着encoder的层数的增加而减少，即En_1、En_2、En_3、En_4使用的分别是RSU-7、RSU-6、RSU-5、RSU-4,因为我们重视对于高分辨率特征图的特征提取，同时会进行池化操作，降低尺寸。而En_5、En_6采用的就是RSU-4F了，F表示不会变化尺寸，也就是只进行特征提取。

RSU（Residual U-blocks）

RUS替换了unet中朴素的卷积块，他能够更好的捕捉全局和局部的信息，而以往的1x1，3x3的卷积由于感受野的缘故，往往擅长捕捉局部的信息，对于全局信息的捕捉没有那么良好，而全局信息往往是分割分割所需要的。RUS通过这个u形状结构实现不同尺度不同感受野的特征图的混合，能够捕捉来自更多的不同尺度的全局信息。

并且他还使用了残差的思想。resnet中需要至少两层才能做恒等映射，不然就是做线性变换，而n次的线性变化效果等价与1次的线性变换。而本文中，由于这个u-block包含了若干层了，所以跨越一个block就行了。

然后是计算量方面，作者将一些主流的块结构进行了对比，发现虽然RSU的计算量随着深度的增加是线性的，但是系数很小，故计算量其实没有怎么大，是可以堆叠的很深的。

损失

主要就是两部分，一部分是侧边输出特征图的损失，另一部分是这些侧边输出融合之后形成的最终输出特征图的损失。