The efficacy of segmentation algorithms is frequently compromised by topological errors like overlapping regions, disrupted connections, and voids. To tackle this problem, we introduce a novel loss function, namely Topology-Aware Focal Loss (TAFL), that incorporates the conventional Focal Loss with a topological constraint term based on the Wasserstein distance between the ground truth and predicted segmentation masks' persistence diagrams. By enforcing identical topology as the ground truth, the topological constraint can effectively resolve topological errors, while Focal Loss tackles class imbalance. We begin by constructing persistence diagrams from filtered cubical complexes of the ground truth and predicted segmentation masks. We subsequently utilize the Sinkhorn-Knopp algorithm to determine the optimal transport plan between the two persistence diagrams. The resultant transport plan minimizes the cost of transporting mass from one distribution to the other and provides a mapping between the points in the two persistence diagrams. We then compute the Wasserstein distance based on this travel plan to measure the topological dissimilarity between the ground truth and predicted masks. We evaluate our approach by training a 3D U-Net with the MICCAI Brain Tumor Segmentation (BraTS) challenge validation dataset, which requires accurate segmentation of 3D MRI scans that integrate various modalities for the precise identification and tracking of malignant brain tumors. Then, we demonstrate that the quality of segmentation performance is enhanced by regularizing the focal loss through the addition of a topological constraint as a penalty term.


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RetinaNet是2018年Facebook AI团队在目标检测领域新的贡献。它的重要作者名单中Ross Girshick与Kaiming He赫然在列。来自Microsoft的Sun Jian团队与现在Facebook的Ross/Kaiming团队在当前视觉目标分类、检测领域有着北乔峰、南慕容一般的独特地位。这两个实验室的文章多是行业里前进方向的提示牌。 RetinaNet只是原来FPN网络与FCN网络的组合应用,因此在目标网络检测框架上它并无特别亮眼创新。文章中最大的创新来自于Focal loss的提出及在单阶段目标检测网络RetinaNet(实质为Resnet + FPN + FCN)的成功应用。Focal loss是一种改进了的交叉熵(cross-entropy, CE)loss,它通过在原有的CE loss上乘了个使易检测目标对模型训练贡献削弱的指数式,从而使得Focal loss成功地解决了在目标检测时,正负样本区域极不平衡而目标检测loss易被大批量负样本所左右的问题。此问题是单阶段目标检测框架(如SSD/Yolo系列)与双阶段目标检测框架(如Faster-RCNN/R-FCN等)accuracy gap的最大原因。在Focal loss提出之前,已有的目标检测网络都是通过像Boot strapping/Hard example mining等方法来解决此问题的。作者通过后续实验成功表明Focal loss可在单阶段目标检测网络中成功使用,并最终能以更快的速率实现与双阶段目标检测网络近似或更优的效果。
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