医学影像分割---Dice Loss

Posted 2021-07-07 渔牧村风

Dice Loss 最先是在VNet 这篇文章中被提出，后来被广泛的应用在了医学影像分割之中。

1、Dice系数与Dice Loss
Dice系数是一种集合相似度度量函数，通常用于计算两个样本的相似度，取值范围在[0,1]：

其中 |X∩Y| 是X和Y之间的交集，|X|和|Y|分表表示X和Y的元素的个数，其中，分子的系数为2，是因为分母存在重复计算X和Y之间的共同元素的原因。

Dice Loss：

Laplace smoothing:

Laplace smoothing 是一个可选改动，即将分子分母全部加 1：

带来的好处：

（1）避免当|X|和|Y|都为0时，分子被0除的问题

（2）减少过拟合

2、Dice 系数计算
首先将 |X∩Y| 近似为预测图pred和label GT 之间的点乘，并将点乘的元素的结果相加：

（1）预测分割图与 GT 分割图的点乘：

（2）逐元素相乘的结果元素的相加和：

对于二分类问题，GT分割图是只有0,1两个值的，因此 |X∩Y| 可以有效的将在 Pred 分割图中未在 GT 分割图中激活的所有像素清零. 对于激活的像素，主要是惩罚低置信度的预测，较高值会得到更好的 Dice 系数.

（3）计算|X|和|Y|，这里可以采用直接元素相加，也可以采用元素平方求和的方法：

3、Dice Loss VS CE

语义分割中一般用交叉熵来做损失函数，而评价的时候却使用IOU来作为评价指标，（GIOU这篇文章中说道：给定优化指标本身与代理损失函数之间的选择，最优选择就是指标本身。）为什么不直接拿类似IOU的损失函数来进行优化呢？

（1）首先采用交叉熵损失函数，而非 dice-coefficient 和类似 IoU 度量的损失函数，一个令人信服的愿意是其梯度形式更优：

交叉熵损失函数中交叉熵值关于 logits 的梯度计算形式类似于p−t，其中，p是 softmax 输出；t为 target；而关于 dice-coefficient 的可微形式，loss 值为 2pt/(p^2+t2) 或 2pt/(p+t)，其关于p的梯度形式是比较复杂的：2t^2/(p+t)2 或 2t*(t^2−p2)/(p^2+t2)^2. 极端场景下，当p和t的值都非常小时，计算得到的梯度值可能会非常大. 通常情况下，可能导致训练更加不稳定.

(2) 直接采用 dice-coefficient 或者 IoU 作为损失函数的原因，是因为分割的真实目标就是最大化 dice-coefficient 和 IoU 度量. 而交叉熵仅是一种代理形式，利用其在 BP 中易于最大化优化的特点.

Dice Loss 存在的问题：

（1）训练误差曲线非常混乱，很难看出关于收敛的信息。尽管可以检查在验证集上的误差来避开此问题。

代码：

dilligencer-zrj/code_zoo
​
github.com
图标
参考：

医学图像分割之 Dice Loss
​
www.aiuai.cn
图标
Dice-coefficient loss for image segmentation
​
blog.masterliu.net
图标

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