Unsupervised Multi-Task Learning for 3D Subtomogram Image Alignment, Clustering and Segmentation

计算机科学 人工智能 聚类分析 模式识别(心理学) 分割 图像分割 无监督学习 混合模型 任务(项目管理) 深度学习 基本事实 人工神经网络 机器学习 经济 管理
作者
Haoyi Zhu,Chuting Wang,Yuanxin Wang,Zhaoxin Fan,Mostofa Rafid Uddin,Xin Gao,Jing Zhang,Xiangrui Zeng,Min Xu
标识
DOI:10.1109/icip46576.2022.9897919
摘要

3D subtomogram image alignment, clustering, and segmentation are vital to macromolecular structure recognition in cryo-electron tomography (cryo-ET). However, acquiring ground-truth labels to train a unified deep learning model that can simultaneously deal with these tasks is unaffordable. To this end, we propose an end-to-end unified multi-task learning framework to simultaneously complete the three tasks, where models are trained in an unsupervised manner without using any labels. In particular, we have three parallel branches. In the alignment branch, we adopt a two-stage training scheme, i.e., self-supervised pretraining and constrained unsupervised training using our proposed skip correlation attention layer and constrained loss. Synchronously, in the clustering branch, the learned deep cluster features are utilized to iteratively cluster subtomograms into groups using pseudo-labels from an image-wise Gaussian Mixture Model (GMM). Meanwhile, in the segmentation branch, we use rough pseudo-labels generated from a voxel-wise GMM as supervision signals, and prior knowledge from humans is utilized to jointly learn how to correct these labels as well as predict reliable segmentation results. Benefiting from the end-to-end unified network architecture, our method achieves overall state-of-the-art performance on both simulated and real subtomogram processing benchmarks.
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