Res-UNet

### Res-UNet 架构详解 Res-UNet 是一种结合了 UNet 和残差网络（ResNet）特点的深度学习架构，广泛应用于医学影像分析、遥感图像分割以及其他计算机视觉任务。它通过引入残差连接增强了传统 UNet 的特征提取能力和梯度传播效率。 #### 基本结构 Res-UNet 结合了 UNet 的编码器-解码器框架以及 ResNet 中的跳跃连接特性。以下是其主要组成部分： 1. **编码器部分** 编码器通常由多个卷积层组成，负责逐步降低输入图像的空间尺寸并增加通道数以捕捉高层次特征。为了增强训练过程中的梯度流动，Res-UNet 在每一层中加入了残差块[^4]。这种设计有助于缓解深层网络中的梯度消失问题，并促进更快收敛。 2. **瓶颈层** 这一层位于整个网络中间位置，起到压缩信息的作用。在这里，原始输入被映射成低维表示形式以便后续操作能够高效运行。同样地，在此阶段也应用了带有跳接功能的密集模块来保持重要细节不失真[^1]。 3. **解码器部分** 解码器的任务是对经过降采样的特征图进行上采样恢复至原大小的同时融合来自对应层次编码端输出的数据流。这一过程中采用了双线性插值或者转置卷积技术实现像素级别的重建工作；与此同时，“skip connections”将早期浅层获取到局部纹理等精细内容重新注入当前计算单元之中，从而改善最终预测质量。 4. **跳跃连接(Skip Connections)** 跳跃连接允许短距离内的低级特征直接传送到高级别的处理环节当中去弥补因下采样而导致的信息损失情况发生。特别值得注意的是当我们将标准版本替换为具有残差性质的新式组件之后，则不仅保留住了原有优势而且还额外获得了稳定性方面的收益——即即使面对非常深层数目的情形之下依然可以维持良好表现状态[^2]。 5. **激活函数与正则化手段** 使用 ReLU 作为默认激活函数激发隐藏节点活跃程度之外还辅以 Batch Normalization 方法稳定内部分布变化趋势防止过拟合现象产生影响泛化能力评估指标得分高低差异显著等问题出现几率增大风险系数上升等情况的发生概率得到有效控制[^3]。 ```python import torch.nn as nn class DoubleConv(nn.Module): def __init__(self, in_channels, out_channels): super(DoubleConv, self).__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 ResBlock(nn.Module): expansion = 1 def __init__(self, inplanes, planes, stride=1, downsample=None): super(ResBlock, self).__init__() self.conv1 = conv3x3(inplanes, planes, stride) self.bn1 = nn.BatchNorm2d(planes) self.relu = nn.ReLU(inplace=True) self.conv2 = conv3x3(planes, planes) self.bn2 = nn.BatchNorm2d(planes) self.downsample = downsample self.stride = stride def forward(self, x): identity = x out = self.conv1(x) out = self.bn1(out) out = self.relu(out) out = self.conv2(out) out = self.bn2(out) if self.downsample is not None: identity = self.downsample(x) out += identity out = self.relu(out) return out class ResUNet(nn.Module): def __init__(self, num_classes=1): super(ResUNet, self).__init__() filters = [64, 128, 256, 512] # Encoder path self.encoder1 = DoubleConv(3, filters[0]) self.encoder2 = ResBlock(filters[0], filters[1]) self.encoder3 = ResBlock(filters[1], filters[2]) self.encoder4 = ResBlock(filters[2], filters[3]) # Bottleneck layer self.bottleneck = ResBlock(filters[3], filters[3]*2) # Decoder path self.upconv4 = nn.ConvTranspose2d(filters[3]*2, filters[3], kernel_size=2, stride=2) self.decoder4 = ResBlock(filters[3]*2, filters[3]) self.upconv3 = nn.ConvTranspose2d(filters[3], filters[2], kernel_size=2, stride=2) self.decoder3 = ResBlock(filters[2]*2, filters[2]) self.upconv2 = nn.ConvTranspose2d(filters[2], filters[1], kernel_size=2, stride=2) self.decoder2 = ResBlock(filters[1]*2, filters[1]) self.upconv1 = nn.ConvTranspose2d(filters[1], filters[0], kernel_size=2, stride=2) self.decoder1 = DoubleConv(filters[0]*2, filters[0]) # Final output convolutional layers self.final_conv = nn.Conv2d(filters[0], num_classes, kernel_size=1) def forward(self, x): enc1 = self.encoder1(x) enc2 = self.encoder2(enc1) enc3 = self.encoder3(enc2) enc4 = self.encoder4(enc3) bottleneck = self.bottleneck(enc4) dec4 = self.upconv4(bottleneck) dec4 = torch.cat((dec4, enc4), dim=1) dec4 = self.decoder4(dec4) dec3 = self.upconv3(dec4) dec3 = torch.cat((dec3, enc3), dim=1) dec3 = self.decoder3(dec3) dec2 = self.upconv2(dec3) dec2 = torch.cat((dec2, enc2), dim=1) dec2 = self.decoder2(dec2) dec1 = self.upconv1(dec2) dec1 = torch.cat((dec1, enc1), dim=1) dec1 = self.decoder1(dec1) final_output = self.final_conv(dec1) return final_output ``` ### 总结 上述代码定义了一个基于 PyTorch 实现的标准 Res-UNet 模型。该模型继承了 UNet 的基本思想并通过加入 ResNet 风格的残差块提升了整体性能。特别是在复杂背景下的小目标检测方面表现出色，同时由于其轻量化的设计理念使其非常适合资源受限环境部署需求。