U-Netとは

ユーネット別名 UNet

1行定義

U-Netとは、特徴を縮めて取り出す経路と解像度を戻していく経路をU字型に組み、両者をスキップ結合でつないだ、セグメンテーション用のCNNのことです。

くわしく

U-Netは、2015年にOlaf Ronnebergerらが、細胞の顕微鏡画像などの生物医学画像を領域分割するために発表したネットワークです。構造を図にするとアルファベットのUの形になることから、この名前が付きました。

U字型の構造

左半分は縮小の経路(エンコーダ)です。畳み込みとプーリングを繰り返して特徴マップを小さくしながら、「ここに何があるか」という大まかな意味をつかみます。右半分は拡大の経路(デコーダ)です。アップサンプリングで特徴マップを段階的に大きくし、画素ごとのクラスを出力します。

スキップ結合で細部を補う

特徴マップを縮めると、物体の境界がどこにあるかといった細かな位置の情報が失われます。そこでU-Netは、エンコーダの各段の特徴マップを、同じ解像度のデコーダの段へ渡し、チャネル方向に連結します。デコーダは、深い層の大まかな意味と、浅い層の細かな位置の情報を合わせて使えるので、境界を正確に描けます。

ResNetのスキップ結合が入力を「足し合わせる」のに対し、U-Netは「連結する」点が異なります。同じエンコーダ・デコーダ型のSegNetは、特徴マップ全体ではなく、プーリングで最大値をとった位置だけをデコーダに渡します。

少ないデータで学習できる

医療の現場では、専門家が画素単位で正解を付けた画像を大量に集めるのは困難です。U-Netの論文では、画像を弾性的にゆがめるなどのデータ拡張を多用し、少ない枚数の画像から高い精度を出しました。

広がり

U-Netは医療画像に限らず、衛星画像の解析や製品の外観検査などにも使われています。画像生成の拡散モデルでも、ノイズを推定する部分にU-Netを改良したものがよく使われます。

覚え方

「縮めて意味をつかみ、戻して位置を描く。左右の橋渡しは連結」と覚えます。

G検定での出題

エンコーダとデコーダの同じ解像度の層をつなぐスキップ結合で細かな位置の情報を補う点、医用画像向けに提案され少ないデータで学習できる点、SegNetやFCNとの違いが問われます。

混同しやすい用語

用語意味
SegNetエンコーダの最大値プーリングで記録した位置を使い、デコーダで特徴マップを拡大する、セマンティックセグメンテーションのモデル

◯×チェック

  1. U-Netは、もともと細胞の顕微鏡画像などの生物医学画像をセグメンテーションするために提案された。

    答えを見る

    答え ◯ 正しい

    医療分野では、画素単位の正解を付けた画像を大量に集めにくいため、少ない画像から学習できるよう工夫されています。

  2. U-Netのスキップ結合は、ResNetと同じく、エンコーダの特徴マップをデコーダの特徴マップに要素ごとに足し合わせる。

    答えを見る

    答え × 誤り

    U-Netは足し算ではなく、チャネル方向に連結します。入力を足し合わせるのはResNetのスキップ結合です。

  3. 画像生成の拡散モデルでは、各段階のノイズを推定するネットワークとして、U-Netを改良したものがよく使われる。

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    答え ◯ 正しい

    画像を入力し、画素ごとに値を出力できるU-Netの構造が、画像と同じ大きさのノイズを推定する用途に合うためです。

練習問題

U-Netの問題(3問)
  1. スキップ結合の働きと応用先
  2. セグメンテーションモデルの構造
  3. FCNの構造の特徴

AIで作成 人による確認:未 誤りを報告

出典と作成について

作成:ウカトレ編集部(AIで作成し、別のAIが一次資料と照合。手順は編集方針)

公開日: 最終更新日: 最終確認日:

対応シラバス:シラバス第1.4版 技術26

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