U-Netとは？画像認識に用いられる仕組み・他セグメンテーション手法との比較・メリット・活用分野を徹底解説！

画像認識におけるセマンティックセグメンテーション分野で多く活用されているモデルの一つがU-Netです。

医療画像診断から自動運転、製造業の品質管理まで、U-Netは高精度な画像セグメンテーションを実現し、業務効率化と精度向上に貢献しています。少量のデータでも高性能、リアルタイム処理が可能というU-Netの特長は、多くの開発者にとって魅力的な手法となっています。

そこで本記事では、U-Netの特徴や仕組み、メリットなどの基本情報を紹介するとともに、活用分野について徹底解説します。画像認識分野でAI活用を検討中の方や、U-Netに興味がある方は、ぜひ最後までご覧ください。

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U-Netとは？

U-Netとは、画像セグメンテーションのための畳み込みニューラルネットワーク（CNN）の一種です。「U字型」のエンコーダ・デコーダの学習ネットワーク構造が特徴です。2015年に、生物医科学のセグメンテーションへの応用目的でOlaf Ronnebergerらによって開発されました。

セグメンテーションとは、画像内の各ピクセルがどのクラスに属するかを予測するタスクのことを指します。なお、U-Netはセグメンテーション分野のうち「セマンティックセグメンテーション」に該当する手法です。

セマンティックセグメンテーションとは、画像内のすべてのピクセルを細かく領域分けし、それぞれに人や車、背景などの特定のクラスをアノテーションする手法で、同一クラスでも別の個体を別のクラス付けを行うインスタンスセグメンテーションとは異なります。

U-Netのアーキテクチャは、エンコーダ部分で画像の特徴やパターンを抽出し、デコーダ部分によってエンコーダで抽出した特徴をもとに画像を再生成するという特徴を持ちます。

このシンプルで対照的なネットワーク構造ゆえに、入力画像に対して出力画像の解像度が大きく下がるCNNモデルも多いなかで、入力画像と同じ解像度・大きさの画像を出力できる点がU-Netの大きな魅力です。

参照：arXiv｜U-Net: Convolutional Networks for Biomedica Image Segmentation

U-Netの構造

U-Netはエンコーダとデコーダの2つの部分から成り立っています。

1. エンコーダ：画像を何度も畳み込み処理し、特徴を抽出します。ResNetなどの既存の画像分類モデルをバックボーンとして利用することも可能です。
2. デコーダ：エンコーダで抽出された特徴を逆畳み込み（deconvolution）処理し、元の画像サイズに戻してセグメンテーションマップを生成します。

このモデルの特徴的な部分は、エンコーダとデコーダの間にスキップ接続が存在することです。これにより、詳細な情報が失われることなくデコーダに伝えられます。

最近は、エンコーダ部分にResNetを採用しています。これは「U-Net with ResNet backbone」と呼ばれることがあります。ResNetは、EfficientNetと並んで画像分類のために設計された定番ネットワークです。

一方で、CLIPはテキストと画像を同一の空間で学習し、言語と視覚の対応関係を高精度に捉えることで多様なタスクへの応用が可能なモデルとして注目されています。ResNetの優れた特徴抽出能力を活かしつつ、U-Netの高解像度出力を生成する能力を組み合わせることができます。

U-Netの主な特徴

U-Netの特徴は以下のとおりです。

• 少ない学習データで高性能: データ拡張やスキップ接続の効果により、限られた学習データでも高いセグメンテーション性能を発揮します。
• データ拡張性：学習データを増やすことなく元画像の変形画像を学習
• 高速な処理：全層畳み込みネットワークによる効率的な処理
• 柔軟な入力サイズ：さまざまな大きさのサイズの入力画像に対応可能
• 汎用性の高さ：医療画像以外のさまざまなセグメンテーションタスクにも適用可能

U-Netの大きな特徴がエンコーダとデコーダ間のスキップ接続です。このスキップ接続により、エンコーダで失われがちな空間情報や解像度の詳細をデコーダに直接伝えることが可能です。

また、データ拡張機能は、細胞が写る画像データから形がさまざまな細胞を自動で学習することで、変形に対する不変性に対応し、データに対する過剰適合を抑えられる機能です。

U-Netはエンコーダとデコーダが対象的な構造になっているため、入力画像のサイズに制約がなく、異なる解像度の画像にも適応できます。

これらの特徴により、U-Netは開発目的の医療分野におけるセグメンテーションのほかに、さまざまな画像解析タスクにおいて高いパフォーマンスを発揮することが可能です。

U-Netと他のセマンティックセグメンテーション手法との比較

U-Netと他のセマンティックセグメンテーション手法の違いについて以下の表で簡単に紹介します。

手法名	主な特徴
CNN	画像分類、物体検出やセグメンテーションなどの基礎となる技術 局所的特徴の抽出が得意
FCN(Fully Convolutional Network)	全結合層を畳み込み層に置き換える 入力サイズに依存しないセグメンテーションが可能
SegNet	左右対称のエンコーダ・デコーダ構造 エンコーダでのプーリング時の位置情報を記憶し、デコーダでのアップサンプリング時に利用 自動運転車の開発などで道路画像のセグメンテーションタスクに特化
PSPNet	空間ピラミッドプーリングによりマルチスケール情報を統合 大域的・局所的な特徴どちらも高精度に抽出できる 都市景観解析など、異なるスケールの物体が含まれる画像解析に適しています
DeepLab	Atrous Convolution（拡張畳み込み）で解像度を保持しつつ効率良く特徴抽出 大局的な情報抽出が得意 特に大規模なシーン解析や複雑な背景を持つ画像解析に適しています

上記のようにさまざまな手法が存在するため、画像認識タスクに合わせて選ぶことが重要です。それぞれ異なる特徴と利点を持っており、タスクの性質や要求される精度、計算リソースなどに応じて適切なものを選択することが重要です。

また、これらの手法を組み合わせたり、改良したりすることで、さらに高性能なモデルを構築することも可能です。

U-Netの改良版UNet++

U-Netは非常に優れたモデルですが、課題もあります。その課題を克服する形で、より高精度なセグメンテーションを実現するUNet++というモデルも登場しています。

また、上記のほかTransformerと組み合わせたTransUNetというモデルの提案などもされています。さらに、Transformerの自己注意機構を用いて画像全体のグローバルな関係性を直接的に捉えるVision Transformer（ViT）は最近注目を集めている新しいアプローチです。

さらに、最近注目を集めているモデルのひとつに「Segment Anything Model（SAM）」があります。これは、少ないアノテーションであらゆる物体のセグメンテーションを可能にする高い汎用性が特徴です。

ViTを基盤としたセグメンテーションモデルも登場しています。例えば、SEGMENTERは純粋なTransformerベースのアプローチを採用し、畳み込み層を完全に排除しています。

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U-Netの３つのメリット

U-Netは、その構造と設計により、さまざまな分野で高性能な画像セグメンテーションを実現しています。以下では、U-Netの主なメリットを紹介します。

少量のデータでも高性能な画像セグメンテーションが可能

U-Netは、データ拡張性とスキップ構造により、小規模なデータセットでも高いパフォーマンスを発揮することがメリットの一つです。

特にスキップ構造があることで、エンコード層を経るごとに減る元画像の特徴の損失を軽減し、入力画像の詳細な情報を保持しながら画像を再構築できます。そのため、微細な特徴を捉えた正確なセグメンテーションが可能です。

また、データ拡張性により、少量のデータセットでも多様なバリエーションを作り出しモデルの汎用性を高められるため、限られた細胞データから幅広い医用画像タスクへ応用できます。

このような特徴からU-Netは、医療用画像などラベル付けが難しく大量のデータを集めるのが難しいセグメンテーションタスクでも、優れた結果を得られます。また、製造業における微細な欠陥検出など、精度が求められるタスクにも適しています。

リアルタイム（高速）処理が可能

U-Netはスキップ構造により、エンコーダとデコーダ間で詳細な情報を効率的に伝達でき、計算効率に優れます。また、ほかの手法と比べてアーキテクチャのサイズが比較的小さいため、他の複雑なディープラーニングモデルと比べて高速に処理を行うことが可能です。

U-Netの高速処理能力は、リアルタイムでの画像処理が求められるシーンで有用です。特に、臨床現場でのリアルタイム診断支援や自動運転車での即時環境認識など、迅速な意思決定が必要な場面での応用が期待されています。

実装が容易

U-Netはアルファベットの「U」の形をした対称的な構造を持ちます。エンコーダとデコーダが対称的に配置されているため、どの部分がどの役割を果たしているかが直感的に把握できます。このシンプルさにより、ネットワークの各部分が明確に分かれており、全体の流れを理解しやすくなっています。

さらに、エンコーダで抽出された特徴マップがデコーダで利用されるため、情報の流れが明確であり、実装時にも各ステップが理解しやすいです。そして、エンコーダとデコーダの間にはスキップ接続が存在し、これによりエンコーダで得られた詳細な情報がデコーダに直接伝えられます。これはネットワークの各層間で情報をやり取りするための簡単なメカニズムであり、その実装も容易です。

U-Netの活用分野6選

U-Netは医療画像診断のみならず、自動運転や顔認証、外観検査など幅広い分野での活用が期待されています。以下では、U-Netの活用が期待される分野を紹介します。

医療画像診断

U-Netは医療分野で広く研究開発が進められており、特にMRIやCTスキャン画像における臓器や腫瘍のセグメンテーションで応用されています。例えば、U-Netを脳腫瘍の自動検出や肺の異常検出で活用することで、診断の精度とスピードが大幅に向上することが期待されます。

また、U-Netの論文では電子顕微鏡画像の神経構造や光学顕微鏡画像の細胞といった小さな画像に対するセグメンテーションでも従来法に比べ優れた結果をあげています。

U-Netを活用することで、さまざまな医療画像から異常部位の検出や病気リスクの特定が可能になります。

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自動運転技術

自動運転車の開発においても、U-Netをはじめとするセグメンテーション手法が活用されています。例えば、道路標識や歩行者、車両などの物体検出で活用され、リアルタイムかつ正確な道路環境認識を実現しています。

特にU-Netは高速な物体検出が可能なため、安全な自動運転を実現する技術として期待されています。

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顔認証

近年スマートフォンに搭載されるなど生活に身近な顔認証システムにおいても、U-Netなどのセグメンテーション技術の活用が見られます。例えば、セグメンテーション技術により目・鼻・口などの顔のパーツを特定し、個々の顔の大まかな特徴を抽出することで、顔認証が可能になります。

顔認証システムにおいては、顔の位置を測定する「バウンディングボックス」や顔の特徴点を抽出する「キーポイント検出」とセグメンテーション技術を組み合わせることで、より高精度な顔認証システムを実現できます。

特にU-Netは大量の画像データを高速に認識できるため、大規模なイベント会場の顔認識システムや、スピードが重視されるオフィスの顔認識システムへの活用が期待されます。

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クラック（ひび割れ）測定

U-Netなどのセマンティックセグメンテーションは、インフラや大型設備のクラック（ひび割れ）測定システムにも積極的に活用されています。従来ダム水路やトンネルなどのクラックは点検作業員が目視で定期的に確認する必要があり、計測・記録における膨大な人的コストが課題としてありました。

近年では、設備画像からクラックを自動検知できるセマンティックセグメンテーション技術の活用により、迅速かつ正確な検査が可能となっています。人的コストの削減に成功している企業も増えてきています。

少子高齢化による人手不足や熟練技術者の減少が懸念されています。そのなかで、U-Netなどを活用したクラックの自動検出AIは、インフラ業界のメンテナンス効率化を実現する重要なソリューションとして期待されています。

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農業分野での作物解析

農業分野においては、作物解析でドローンセンシング技術と合わせて、U-Netなどのセマンティック・セグメンテーション技術を活用することで、スマート農業を促進しています。

U-Netはリモートセンシングデータの解析にも利用されています。例えば、衛星画像を用いて作物の健康状態をモニタリングしたり、土地利用の変化を追跡することが可能です。

例えば、東京都市大学は、ドローン画像をU-Netで解析することにより、地物の自動認識が可能なプラットフォームを開発しました。これにより、作物や果物などの生育状況や数の把握が容易になり、病害の早期発見などが可能になります。

日本の農林業では人手不足が深刻であり、U-Netを活用したスマート農業技術は持続可能な農業の実現に向けた重要な技術といえます。

外観検査

製造業における品質管理や外観検査でも、U-Netなどのセグメンテーション技術は広く活用されています。製造ラインで撮影された製品画像を解析し、欠陥や不良品を自動的に検出することで、品質の安定化とコスト削減に貢献しています。

例えば、パナソニックが開発した「WisSight」では、製品や部品の一部にある傷を学習したAIが、不定形の傷検知や不良面積の自動算出が可能です。

製造現場においては異物混入や不良品検出へのAI活用が積極的に進められており、AIによる自動化が品質管理の新しいスタンダードとなりつつあります。

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U-Netについてよくある質問まとめ

まとめ

U-Netは、医療用の画像セグメンテーションにおいて高い精度を誇るディープラーニングモデルです。特徴として、U字型のエンコーダ・デコーダ構造やスキップ接続が挙げられます。

また、少量のデータでも高性能な画像処理が可能であり、医療画像診断や自動運転技術、農業分野での作物解析などさまざまな分野で幅広く活用されつつあります。

U-Netの特長である少量データでの高性能、リアルタイム処理、容易な実装は、多くの企業にとって魅力的な選択肢となるでしょう。まずは、自社の課題に対してU-Netがどのように活用できるか、専門家に相談してみることをおすすめします。

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