Fluorescence microscopy images play the critical role of capturing spatial or spatiotemporal information of biomedical processes in life sciences. Their simple structures and semantics provide unique advantages in elucidating learning behavior of deep neural networks (DNNs). It is generally assumed that accurate image annotation is required to train DNNs for accurate image segmentation. In this study, however, we find that DNNs trained by label images in which nearly half (49%) of the binary pixel labels are randomly flipped provide largely the same segmentation performance. This suggests that DNNs learn high-level structures rather than pixel-level labels per se to segment fluorescence microscopy images. We refer to these structures as meta-structures. In support of the existence of the meta-structures, when DNNs are trained by a series of label images with progressively less meta-structure information, we find progressive degradation in their segmentation performance. Motivated by the learning behavior of DNNs trained by random labels and the characteristics of meta-structures, we propose an unsupervised segmentation model. Experiments show that it achieves remarkably competitive performance in comparison to supervised segmentation models.


翻译:光纤显微镜显微镜图像在捕捉生命科学生物医学过程的空间或时空信息方面发挥着关键作用。它们的简单结构和语义学在阐明深神经网络(DNNS)的学习行为方面提供了独特的优势。一般认为,需要准确的图像注解来训练DNNS进行准确的图像分化。然而,在本研究中,我们发现,通过标签图象培训的DNN,其二进制像素标签近一半(49%)被随机翻转,其分解性能大致相同。这表明DNNS学习高层次结构,而不是每个部分的像素级标签与分层荧光显微镜图像相比具有独特的优势。我们将这些结构称为元结构。支持元结构的存在,当DNNS接受一系列标签图象的培训,而其分解性能却逐渐退化。受随机标签和元结构特征训练的DNS的学习行为启发。我们建议将这些结构称为非超超导分层模型。我们建议用可比较的分解性能模型显示它具有显著的分化性能模型。

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