【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库)

【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库)

文章目录 1 概述 2 Swin-Unet架构 3 bottleneck理解 4 具体结构 4.1 Swin Transformer block 5 通过剪枝和量化压缩Transformer

【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库)

1 概述

【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库) Swin-Unet: Unet-like Pure Transformer for Medical Image Segmentation

论文:https://arxiv.org/abs/2105.05537

代码:https://github.com/HuCaoFighting/Swin-Unet

首个基于纯Transformer的U-Net形的医学图像分割网络,其中利用Swin Transformer构建encoder、bottleneck和decoder,表现SOTA!性能优于TransUnet、Att-UNet等,代码即将开源!

在过去的几年中,卷积神经网络(CNN)在医学图像分析中取得了里程碑式的进展。尤其是,基于U形结构和skip-connections的深度神经网络已广泛应用于各种医学图像任务中。但是,尽管CNN取得了出色的性能,但是由于卷积操作的局限性,它无法很好地学习全局和远程语义信息交互。

在本文中,作者提出了Swin-Unet,它是用于医学图像分割的类似Unet的纯Transformer模型。标记化的图像块通过跳跃连接被送到基于Transformer的U形Encoder-Decoder架构中,以进行局部和全局语义特征学习。

2 Swin-Unet架构

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3 bottleneck理解

bottleneck简单翻译就是瓶颈层,一般在深度较高的网络(如resnet101)中使用,一般结构如下图所示。 【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库) 其中两个1X1fliter分别用于降低和升高特征维度,主要目的是为了减少参数的数量,从而减少计算量,且在降维之后可以更加有效、直观地进行数据的训练和特征提取,对比如下图所示。 Bottleneck layer又称之为瓶颈层,使用的是1*1的卷积神经网络。之所以称之为瓶颈层,是因为长得比较像一个瓶颈。 【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库) 如上图所示,经过 [公式] 的网络,中间那个看起来比较细。像一个瓶颈一样。使用 [公式] 网络的一大好处就是可以大幅减少计算量。深度可分离卷积中,也有这样的设计考虑。

ResNet中的Bottleneck layer Bottleneck layer这种结构比较常见的出现地方就是ResNet block了。 【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库) 如图所示分别是有bottleneck和没有bottleneck的ResNet模块。

4 具体结构

Swin-Unet架构:由Encoder, Bottleneck, Decoder和Skip Connections组成。 Encoder, Bottleneck以及Decoder都是基于Swin-Transformer block构造的实现。

4.1 Swin Transformer block

【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库) 与传统的multi-head self attention(MSA)模块不同,Swin Transformer是基于平移窗口构造的。在图2中,给出了2个连续的Swin Transformer Block。每个Swin Transformer由LayerNorm(LN)层、multi-head self attention、residual connection和2个具有GELU的MLP组成。在2个连续的Transformer模块中分别采用了windowbased multi-head self attention(W-MSA)模块和 shifted window-based multi-head self attention (SW-MSA)模块。基于这种窗口划分机制的连续Swin Transformer Block可表示为: 【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库) 【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库) 【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库) Up-Sampling会带来什么影响? 针对Encoder中的patch merge层,作者在Decoder中专门设计了Patch expanding layer,用于上采样和特征维数增加。为了探索所提出Patch expanding layer的有效性,作者在Synapse数据集上进行了双线性插值、转置卷积和Patch expanding layer的Swin-Unet实验。实验结果表明,本文提出的Swin-Unet结合Patch expanding layer可以获得更好的分割精度。

Skip connection 与U-Net类似,Skip connection用于融合来自Encoder的多尺度特征与上采样特征。这里将浅层特征和深层特征连接在一起,以减少降采样带来的空间信息损失。然后是一个线性层,连接特征尺寸保持与上采样特征的尺寸相同。

5 通过剪枝和量化压缩Transformer

剪枝 文中使用的是iterative magnitude pruning方法,这个方法特别简单,将权值小于某一个阈值的参数全部用零替换 【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库) 结果 量化方面4bit的量化效果依然足够好,压缩比能够达到5倍多,剪枝方面效果相对有限,文中解释说有一些超参需要tuning(比如阈值),二值化的方法如果使用到整个transformer则效果比较差,但是如果能够只在self-attention上进行使用,则效果就会非常好(对应到BS-Flexible 1-bit att-quantization方法) 【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库) 【深度学习】Swin-Unet图像分割网络解析(文末提供剪枝仓库) 上面两个仓库可以看下源码!

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