Поиск оптимальных 2D моделей нейронной сети U-net для решения задачи семантической сегментации томографических изображений гидратосодержащих образцов

Задача семантической сегментации изображений гидратосодержащих пород представляет собой многоклассовую классификацию пикселей каждого 2D-изображения во входном 3D объеме по классам «Гранула», «Флю-ид», «Гидрат». Классы гранулы и гидрата-флюида являются слабоконтрастными, поэтому для их разделения используется модель, построенная на основе архитектуры сверточной нейронной сети U-Net. Такое решение позволяет провести классификацию пикселей по классу гранулы с точностью более 90 %, в то время как стандартная классификация по пороговому значению имеет точность лишь 56 %.
В данной статье описывается процесс поиска оптимальных моделей архитектуры U-Net посредством настройки набора гиперпараметров. Учитывая ограниченное время обработки большого объема 3D томографических данных, требовалось найти реализацию сети U-Net для достижения наилучшего качества сегментации. С другой стороны, качество сегментации может быть улучшено, посредством анализа взаимосвязей между последовательно идущими изображениями в 3D объеме. Однако 3D реализация сети является очень ресурсоемкой с точки зрения обучения модели и ее работы в режиме вывода. В связи с этим также был осуществлен поиск гиперпараметров с условием достижения сопоставимого качества сегментации при существенном упрощении реализации 2D сети. В дальнейшем найденные оптимальные гиперпараметры 2D модели могут быть использованы для настройки 3D модели сегментации.
Проведя анализ моделей по критериям сходимости и результирующего качества сегментации, мы предложили 2 модели сегментации, оптимальные с точки зрения качества и сложности модели. Рассмотренные в работе подходы гипернастройки модели U-Net имеют общий характер и могут быть применены при работе с другими наборами данных, что позволит улучшить производительность вашего нейросетевого решения как в процессе обучения, так и на стадии его эксплуатации.