Semi-Weakly Supervised Learning for Label-efficient Semantic Segmentation in Expert-driven Domains

Unter Zuhilfenahme von Deep Learning haben semantische Segmentierungssysteme beeindruckende Ergebnisse erzielt, allerdings auf der Grundlage von überwachtem Lernen, das durch die Verfügbarkeit kostspieliger, pixelweise annotierter Bilder limitiert ist. Bei der Untersuchung der Performance dieser Segmentierungssysteme in Kontexten, in denen kaum Annotationen vorhanden sind, bleiben sie hinter den hohen Erwartungen, die durch die Performance in annotationsreichen Szenarien geschürt werden, zurück. Dieses Dilemma wiegt besonders schwer, wenn die Annotationen von lange geschultem Personal, z.B. Medizinern, Prozessexperten oder Wissenschaftlern, erstellt werden müssen. Um gut funktionierende Segmentierungsmodelle in diese annotationsarmen, Experten-angetriebenen Domänen zu bringen, sind neue Lösungen nötig. Zu diesem Zweck untersuchen wir zunächst, wie schlecht aktuelle Segmentierungsmodelle mit extrem annotationsarmen Szenarien in Experten-angetriebenen Bildgebungsdomänen zurechtkommen. Daran schließt sich direkt die Frage an, ob die kostspielige pixelweise Annotation, mit der Segmentierungsmodelle in der Regel trainiert werden, gänzlich umgangen werden kann, oder ob sie umgekehrt ein Kosten-effektiver Anstoß sein kann, um die Segmentierung in Gang zu bringen, wenn sie sparsam eingestetzt wird. Danach gehen wir auf die Frage ein, ob verschiedene Arten von Annotationen, schwache- und pixelweise Annotationen mit unterschiedlich hohen Kosten, gemeinsam genutzt werden können, um den Annotationsprozess flexibler zu gestalten. Experten-angetriebene Domänen haben oft nicht nur einen Annotationsmangel, sondern auch völlig andere Bildeigenschaften, beispielsweise volumetrische Bild-Daten. Der Übergang von der 2D- zur 3D-semantischen Segmentierung führt zu voxelweisen Annotationsprozessen, was den nötigen Zeitaufwand für die Annotierung mit der zusätzlichen Dimension multipliziert. Um zu einer handlicheren Annotation zu gelangen, untersuchen wir Trainingsstrategien für Segmentierungsmodelle, die nur preiswertere, partielle Annotationen oder rohe, nicht annotierte Volumina benötigen. Dieser Wechsel in der Art der Überwachung im Training macht die Anwendung der Volumensegmentierung in Experten-angetriebenen Domänen realistischer, da die Annotationskosten drastisch gesenkt werden und die Annotatoren von Volumina-Annotationen befreit werden, welche naturgemäß auch eine Menge visuell redundanter Regionen enthalten würden. Schließlich stellen wir die Frage, ob es möglich ist, die Annotations-Experten von der strikten Anforderung zu befreien, einen einzigen, spezifischen Annotationstyp liefern zu müssen, und eine Trainingsstrategie zu entwickeln, die mit einer breiten Vielfalt semantischer Information funktioniert. Eine solche Methode wurde hierzu entwickelt und in unserer umfangreichen experimentellen Evaluierung kommen interessante Eigenschaften verschiedener Annotationstypen-Mixe in Bezug auf deren Segmentierungsperformance ans Licht. Unsere Untersuchungen führten zu neuen Forschungsrichtungen in der semi-weakly überwachten Segmentierung, zu neuartigen, annotationseffizienteren Methoden und Trainingsstrategien sowie zu experimentellen Erkenntnissen, zur Verbesserung von Annotationsprozessen, indem diese annotationseffizient, expertenzentriert und flexibel gestaltet werden