U-Net

Alternatif adlar: U-shaped Network, Encoder-Decoder Segmentation Network

Kısa Tanım

U-Net, simetrik kodlayıcı-kod çözücü (encoder-decoder) yapısı ve atlama bağlantıları (skip connections) ile piksel düzeyinde semantik segmentasyon gerçekleştiren bir evrişimli sinir ağı mimarisidir. Başlangıçta biyomedikal görüntü segmentasyonu için geliştirilmiş olup az sayıda etiketli veriyle yüksek başarı elde etme kapasitesiyle öne çıkar.

Teknik Mantık

Kodlayıcı yolda ardışık evrişim ve havuzlama (max pooling) katmanları ile uzamsal çözünürlük azaltılırken kanal sayısı artırılır ve bağlamsal öznitelikler çıkarılır. Kod çözücü yolda yukarı örnekleme (upsampling/transposed convolution) ile çözünürlük geri kazanılır. Her kod çözücü seviyesi, kodlayıcıdaki eş seviyeden gelen öznitelik haritasıyla birleştirilir (concatenation); bu atlama bağlantıları ince detay bilgisinin korunmasını sağlar. Son katmanda 1x1 evrişim ile piksel bazında sınıf tahmini üretilir. Kayıp fonksiyonu olarak genellikle cross-entropy veya Dice loss kullanılır.

Kullanım Bağlamı

Piksel düzeyinde sınıflandırma gerektiren tüm segmentasyon görevlerinde kullanılır. Etiketli veri sınırlı olduğunda veri artırma (augmentation) ile birlikte güçlü performans gösterir. Çok büyük görüntülerde yama tabanlı (patch-based) eğitim stratejisi uygulanır. Daha derin varyantlar (U-Net++, Attention U-Net) karmaşık yapılarda tercih edilebilir.

Tarımsal Bağlam

Tarımda U-Net; uydu ve İHA görüntülerinden arazi örtüsü segmentasyonu, bitki-toprak ayrımı, yaprak hastalık bölgesi segmentasyonu ve kök morfolojisi analizinde yaygın kullanılır. Örneğin, multispektral İHA görüntülerinden yabancı ot haritalaması yapılırken U-Net piksel bazında kültür bitkisi/yabancı ot/toprak ayrımını gerçekleştirir. Sentinel-2 görüntülerinde parsel sınırı çıkarımı da önemli bir uygulama alanıdır.

Sık Karıştırılan Nokta

U-Net'in yalnızca ikili segmentasyon yapabildiği düşünülür; oysa çıkış katmanındaki kanal sayısı sınıf sayısına eşitlenerek çoklu sınıf segmentasyonu gerçekleştirilebilir. Diğer bir hata, atlama bağlantılarının ResNet'teki artık bağlantılarla (residual connections) karıştırılmasıdır: U-Net'te birleştirme (concatenation), ResNet'te ise toplama (addition) yapılır; mekanizma ve amaç farklıdır.

Dr. Mehmet Solak — Siirt Üniversitesi, Biyosistem Mühendisliği