深度学习（七）U-Net原理以及keras代码实现医学图像眼球血管分割

原文作者：aircraft

原文链接：https://www.cnblogs.com/DOMLX/p/9780786.html

　　有没有大佬们的公司招c++开发/图像处理/opengl/opencv/halcon实习的啊，带上我一个呗QAQ

深度学习教程目录如下，还在继续更新完善中

　　最近秦老师叫我研究深度学习与指静脉结合，我就拿这篇来做敲门砖，并且成功将指静脉的纹理特征提取用u-net实现了，而眼球血管分割则给我提供了很大的帮助。现在就分享给大家吧。。虽然很想把指静脉也写一篇单独的博客分享，但是不允许啊hhhhhhh

DRIVE数据集下载百度云链接：链接：https://pan.baidu.com/s/1_Bda-WN0IAN7lyylZEoLAQ
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U-net+kears实现眼部血管分割源码python2.7版本的百度云链接：链接：https://pan.baidu.com/s/1J9Fj9kVqHR5rWYS95tRGew
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U-net+kears实现眼部血管分割源码python3.6版本的百度链接：链接：https://pan.baidu.com/s/1_Bda-WN0IAN7lyylZEoLAQ
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全卷积神经网络

大名鼎鼎的FCN就不多做介绍了，这里有一篇很好的博文 http://www.cnblogs.com/gujianhan/p/6030639.html。
不过还是建议把论文读一下，这样才能加深理解。

医学图像分割框架

医学图像分割主要有两种框架，一个是基于CNN的，另一个就是基于FCN的。这里都是通过网络来进行语义分割。

那么什么是语义分割？可不是汉字分割句意，在图像处理中有自己的定义。

图像语义分割的意思就是机器自动分割并识别出图像中的内容，比如给出一个人骑摩托车的照片，机器判断后应当能够生成右侧图，红色标注为人，绿色是车（黑色表示 back ground）。

十分钟看懂图像语义分割技术

所以图像分割对图像理解的意义，就好比读古书首先要断句一样。

在 Deeplearning 技术快速发展之前，就已经有了很多做图像分割的技术，其中比较著名的是一种叫做 “Normalized cut” 的图划分方法，简称 “N-cut”。

N-cut 的计算有一些连接权重的公式，这里就不提了，它的思想主要是通过像素和像素之间的关系权重来综合考虑，根据给出的阈值，将图像一分为二。

基于CNN 的框架

这个想法也很简单，就是对图像的每一个像素点进行分类，在每一个像素点上取一个patch，当做一幅图像，输入神经网络进行训练，举个例子：

cnnbased

这是一篇发表在NIPS上的论文Ciresan D, Giusti A, Gambardella L M, et al. Deep neural networks segment neuronal membranes in electron microscopy images[C]//Advances in neural information processing systems. 2012: 2843-2851.

这是一个二分类问题，把图像中所有label为0的点作为负样本，所有label为1的点作为正样本。

这种网络显然有两个缺点：
1. 冗余太大，由于每个像素点都需要取一个以本身为中心patch，那么相邻的两个像素点的patch相似度是非常高的，这就导致了非常多的冗余，导致网络训练很慢。
2. 感受野和定位精度不可兼得，当感受野选取比较大的时候，后面对应的pooling层的降维倍数就会增大，这样就会导致定位精度降低，但是如果感受野比较小，那么分类精度就会降低。

　　CNN 存在很久了，但是一直受限于过大的数据量和神经网络的规模，并没有获得很大的成功，直至 Krizhevsky 才开始爆发。但是将 CNN 用于生物医学图像存在着两点困难，首先CNN常用于分类，但是生物医学往往关注的是分割之类的定位任务；其次医学图像很难获得那么大规模的数据

以往解决上面两点困难的方法是使用滑窗的方法，为每一个待分类的像素点取周围的一部分邻域输入。这样的方法有两点好处，首先它完成了定位的工作，其次因为每次取一个像素点周围的邻域，所以大大增加了训练数据的数量。但是这样的方法也有两个缺点，首先通过滑窗所取的块之间具有较大的重叠，所以会导致速度变慢（由FCN的论文分析可知，前向传播和反向传播的速度都会变慢）；其次是网络需要在局部准确性和获取上下文之间进行取舍。因为更大的块需要更多的池化层进而降低了定位的准确率，但是小的块使网络只看到很小的一部分上下文。现在一种常见的作法是将多个层放在一起进行考虑（比如说FCN）。

基于FCN框架

在医学图像处理领域，有一个应用很广泛的网络结构—-U-net ,网络结构如下：

这里写图片描述

　　它包含重复的2个3x3卷积，紧接着是一个RELU，一个max pooling（步长为2），用来降采样，每次降采样我们都将feature channel减半。扩展路径包含一个上采样（2x2上卷积），这样会减半feature channel，接着是一个对应的收缩路径的feature map，然后是2个3x3卷积，每个卷积后面跟一个RELU，因为每次卷积会丢失图像边缘，所以裁剪是有必要的，最后来一个1x1的卷积，用来将有64个元素的feature vector映射到一个类标签，整个网络一共有23个卷积层。

　　可以看出来，就是一个全卷积神经网络，输入和输出都是图像，没有全连接层。较浅的高分辨率层用来解决像素定位的问题，较深的层用来解决像素分类的问题。

好了理解完U-net网络，我们就学习一下怎么用U-net网络来进行医学图像分割。

U-net+kears实现眼部血管分割

原作者的【英文说明】https://github.com/orobix/retina-unet#retina-blood-vessel-segmentation-with-a-convolution-neural-network-u-net

实现环境可直接看这篇博客下载：2018最新win10 安装tensorflow1.4（GPU/CPU）+cuda8.0+cudnn8.0-v6 + keras 安装CUDA失败导入tensorflow失败报错问题解决

linux下就环境一样，配置就要自己去找了。

1、介绍

为了能够更好的对眼部血管等进行检测、分类等操作，我们首先要做的就是对眼底图像中的血管进行分割，保证最大限度的分割出眼部的血管。从而方便后续对血管部分的操作。

这部分代码选用的数据集是DRIVE数据集，包括训练集和测试集两部分。眼底图像数据如图1所示。

图1 DRIVE数据集的训练集眼底图像

DRIVE数据集的优点是：不仅有已经手工分好的的血管图像（在manual文件夹下，如图2所示），而且还包含有眼部轮廓的图像（在mask文件夹下，如图3所示）。

图2 DRIVE数据集的训练集手工标注血管图像

图3 DRIVE数据集的训练集眼部轮廓图像

DRIVE数据集的缺点是：显而易见，从上面的图片中可以看出，训练集只有20幅图片，可见数据量实在是少之又少。。。

所以，为了得到更好的分割效果，我们需要对这20幅图像进行预处理从而增大其数据量

2、依赖的库

- numpy >= 1.11.1
- Keras >= 2.1.0
- PIL >=1.1.7
- opencv >=2.4.10
- h5py >=2.6.0
- configparser >=3.5.0b2
- scikit-learn >= 0.17.1

3、数据读取与保存

数据集中训练集和测试集各只有20幅眼底图像（tif格式）。首先要做的第一步就是对生成数据文件，方便后续的处理。所以这里我们需要对数据集中的眼底图像、人工标注的血管图像、眼部轮廓生成数据文件。这里使用的是hdf5文件。有关hdf5文件的介绍，请参考CSDN博客（HDF5快速上手全攻略）。

4、网络解析

　　因为U-net网络可以针对很少的数据集来进行语义分割，比如我们这个眼球血管分割就是用了20张图片来训练就可以达到很好的效果。而且我们这种眼球血管，或者指静脉，指纹之类的提取特征或者血管静脉在U-net网络里就是一个二分类问题，大家一听，二分类对于目前的神经网络不是一件很简单的事情了吗？还有是什么可以说的。

　　的确目前二分类问题是没有什么难度了，只要给我足够的数据集做训练。而本文用的U-net网络来实现这个二分类就只需要二十张图片来作为数据集。大家可以看到优势所在了吧。

5、具体实现

首先我们肯定都是要对数据进行一些预处理的。

第一步

　　先将图像转为灰度图分别读入数组建立起一个符合我们自己的tensor的格式才好传入神经网络，这里我们是先将数据存入hdf5文件中，在开始运行的时候从文件中读入。

#将对应的图像数据存入对应图像数组
def get_datasets(imgs_dir,groundTruth_dir,borderMasks_dir,train_test="null"):
    imgs = np.empty((Nimgs,height,width,channels))
    groundTruth = np.empty((Nimgs,height,width))
    border_masks = np.empty((Nimgs,height,width))
    for path, subdirs, files in os.walk(imgs_dir): #list all files, directories in the path
        for i in range(len(files)):
            #original
            print("original image: " +files[i])
            img = Image.open(imgs_dir+files[i])
            imgs[i] = np.asarray(img)
            #corresponding ground truth
            groundTruth_name = files[i][0:2] + "_manual1.gif"
            print("ground truth name: " + groundTruth_name)
            g_truth = Image.open(groundTruth_dir + groundTruth_name)
            groundTruth[i] = np.asarray(g_truth)
            #corresponding border masks
            border_masks_name = ""
            if train_test=="train":
                border_masks_name = files[i][0:2] + "_training_mask.gif"
            elif train_test=="test":
                border_masks_name = files[i][0:2] + "_test_mask.gif"
            else:
                print("specify if train or test!!")
                exit()
            print("border masks name: " + border_masks_name)
            b_mask = Image.open(borderMasks_dir + border_masks_name)
            border_masks[i] = np.asarray(b_mask)

    print("imgs max: " +str(np.max(imgs)))
    print("imgs min: " +str(np.min(imgs)))
    assert(np.max(groundTruth)==255 and np.max(border_masks)==255)
    assert(np.min(groundTruth)==0 and np.min(border_masks)==0)
    print("ground truth and border masks are correctly withih pixel value range 0-255 (black-white)")
    #reshaping for my standard tensors
    imgs = np.transpose(imgs,(0,3,1,2))
    assert(imgs.shape == (Nimgs,channels,height,width))
    groundTruth = np.reshape(groundTruth,(Nimgs,1,height,width))
    border_masks = np.reshape(border_masks,(Nimgs,1,height,width))
    assert(groundTruth.shape == (Nimgs,1,height,width))
    assert(border_masks.shape == (Nimgs,1,height,width))
    return imgs, groundTruth, border_masks

if not os.path.exists(dataset_path):
    os.makedirs(dataset_path)
#getting the training datasets
imgs_train, groundTruth_train, border_masks_train = get_datasets(original_imgs_train,groundTruth_imgs_train,borderMasks_imgs_train,"train")
print("saving train datasets")
write_hdf5(imgs_train, dataset_path + "DRIVE_dataset_imgs_train.hdf5")
write_hdf5(groundTruth_train, dataset_path + "DRIVE_dataset_groundTruth_train.hdf5")
write_hdf5(border_masks_train,dataset_path + "DRIVE_dataset_borderMasks_train.hdf5")

#getting the testing datasets
imgs_test, groundTruth_test, border_masks_test = get_datasets(original_imgs_test,groundTruth_imgs_test,borderMasks_imgs_test,"test")
print("saving test datasets")
write_hdf5(imgs_test,dataset_path + "DRIVE_dataset_imgs_test.hdf5")
write_hdf5(groundTruth_test, dataset_path + "DRIVE_dataset_groundTruth_test.hdf5")
write_hdf5(border_masks_test,dataset_path + "DRIVE_dataset_borderMasks_test.hdf5")

第二步

　　是对读入内存准备开始训练的图像数据进行一些增强之类的处理，这里对其进行了，直方图均衡化，数据标准化，并且压缩像素值到0-1，将其的一个数据符合标准正态分布。当然啦我们这个数据拿来训练还是太少的，所以我们对每张图片取patch时，除了正常的每个patch每个patch移动的取之外，我们还在数据范围内进行随机取patch，这样虽然各个patch之间会有一部分数据是相同的，但是这对于网络而言，你传入的也是一个新的东西，网络能从中提取到的特征也更多了。这一步的目的其实就是在有限的数据集中进行一些数据扩充，这也是在神经网络训练中常用的手段了。

　　当然了在这个过程中我们也可以随机组合小的patch来看看。

随机原图：

mask图：

处理待训练数据的部分代码：

def get_data_training(DRIVE_train_imgs_original,
                      DRIVE_train_groudTruth,
                      patch_height,
                      patch_width,
                      N_subimgs,
                      inside_FOV):
    train_imgs_original = load_hdf5(DRIVE_train_imgs_original)
    train_masks = load_hdf5(DRIVE_train_groudTruth) #masks always the same
    # visualize(group_images(train_imgs_original[0:20,:,:,:],5),'imgs_train')#.show()  #check original imgs train


    train_imgs = my_PreProc(train_imgs_original)    #直方图均衡化，数据标准化，压缩像素值到0-1
    train_masks = train_masks/255.

    train_imgs = train_imgs[:,:,9:574,:]  #cut bottom and top so now it is 565*565
    train_masks = train_masks[:,:,9:574,:]  #cut bottom and top so now it is 565*565
    data_consistency_check(train_imgs,train_masks)

    #check masks are within 0-1
    assert(np.min(train_masks)==0 and np.max(train_masks)==1)

    print("\ntrain images/masks shape:")
    print(train_imgs.shape)
    print("train images range (min-max): " +str(np.min(train_imgs)) +' - '+str(np.max(train_imgs)))
    print("train masks are within 0-1\n")

    #extract the TRAINING patches from the full images
    patches_imgs_train, patches_masks_train = extract_random(train_imgs,train_masks,patch_height,patch_width,N_subimgs,inside_FOV)
    data_consistency_check(patches_imgs_train, patches_masks_train)

    print("\ntrain PATCHES images/masks shape:")
    print(patches_imgs_train.shape)
    print("train PATCHES images range (min-max): " +str(np.min(patches_imgs_train)) +' - '+str(np.max(patches_imgs_train)))

    return patches_imgs_train, patches_masks_train#, patches_imgs_test, patches_masks_test

第三步

按照U-net的网络结构，使用keras来构造出网络。这里对keras函数语法不太理解的可以看这篇博客：深度学习（六）keras常用函数学习

def get_unet(n_ch,patch_height,patch_width):
    inputs = Input(shape=(n_ch,patch_height,patch_width))
    conv1 = Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', padding='same',data_format='channels_first')(inputs)
    conv1 = Dropout(0.2)(conv1)
    conv1 = Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', padding='same',data_format='channels_first')(conv1)
    pool1 = MaxPooling2D((2, 2))(conv1)
    #
    conv2 = Conv2D(64, (3, 3), activation='relu', padding='same',data_format='channels_first')(pool1)
    conv2 = Dropout(0.2)(conv2)
    conv2 = Conv2D(64, (3, 3), activation='relu', padding='same',data_format='channels_first')(conv2)
    pool2 = MaxPooling2D((2, 2))(conv2)
    #
    conv3 = Conv2D(128, (3, 3), activation='relu', padding='same',data_format='channels_first')(pool2)
    conv3 = Dropout(0.2)(conv3)
    conv3 = Conv2D(128, (3, 3), activation='relu', padding='same',data_format='channels_first')(conv3)

    up1 = UpSampling2D(size=(2, 2))(conv3)
    up1 = concatenate([conv2,up1],axis=1)
    conv4 = Conv2D(64, (3, 3), activation='relu', padding='same',data_format='channels_first')(up1)
    conv4 = Dropout(0.2)(conv4)
    conv4 = Conv2D(64, (3, 3), activation='relu', padding='same',data_format='channels_first')(conv4)
    #上采样后横向拼接
    up2 = UpSampling2D(size=(2, 2))(conv4)
    up2 = concatenate([conv1,up2], axis=1)
    conv5 = Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', padding='same',data_format='channels_first')(up2)
    conv5 = Dropout(0.2)(conv5)
    conv5 = Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', padding='same',data_format='channels_first')(conv5)
    #
    conv6 = Conv2D(2, (1, 1), activation='relu',padding='same',data_format='channels_first')(conv5)
    conv6 = core.Reshape((2,patch_height*patch_width))(conv6)
    conv6 = core.Permute((2,1))(conv6)
    ############
    conv7 = core.Activation('softmax')(conv6)

    model = Model(inputs=inputs, outputs=conv7)

    # sgd = SGD(lr=0.01, decay=1e-6, momentum=0.3, nesterov=False)
    model.compile(optimizer='sgd', loss='categorical_crossentropy',metrics=['accuracy'])

    return model