Unsupervised Learning of Depth and Ego-Motion from Video(CVPR2017)论文阅读
深度估计问题

从输入的单目或双目图像,计算图像物体与摄像头之间距离(输出距离图),双目的距离估计应该是比较成熟和完善,但往单目上考虑主要还是成本的问题,所以做好单目的深度估计有一定的意义。单目的意思是只有一个摄像头,同一个时间点只有一张图片。就象你闭上一只眼睛,只用一只眼睛看这个世界的事物一样,距离感也会同时消失。
深度估计与语义分割的区别,及监督学习的深度估计问题
深度估计与语义分割有一定的联系,但也有一些区别。
- 图像的语义分割是识别每个像素的类别,不管这个像素出现在图像的那个位置,是一个分类任务。
- 而深度估计是识别每个像素与当前摄像头的距离,相同的车出现在图像的不同位置,其距离有可能不一样,是一个回归任务。
在深度估计上直接使用语义分割的方案,是可以达到一定的效果,但因为以上的区别,所以要把深度估计做好还是值得探讨。另外,
深度估计有监督学习的方案,但深度估计的监督学习存在两个问题:
- 监督学习所需要的label,制作上的代价比较大,不利于把方案应用到更多情境或验证;
- 如果以激光雷达的数据作为label,但激光雷达的探测距离比视觉近,一些超越探测距离的区域无法训练。
基于这些问题,本论文提出一种不需要真实深度label的自监督方法。
基本原理

作者巧妙地利用SFM(Structure from motion)原理同时训练DepthNet(深度估计网络)和PoseNet(姿态估计网络),使用它们的输出重构图像$\hat I$与原图像$I$进行比较,免除真实深度label的需要。

选择从时间上连续的三张图像,分别是$I_{t-1}$,$I_t$,$I_{t+1}$。DepthNet学习$I_t$的深度并输出深度图$\hat D_t$,PoseNet从$I_t$分别到$I_{t-1}$和$I_{t+1}$学习转换矩阵$\hat T_{t \to t-1}$和$\hat T_{t \to t+1}$,如上图,图像$I_t$里的$p$点可以通过对应的深度值$\hat D_t(p)$和转换矩阵$\hat T_{t \to t-1}$投影到$I_{t-1}$上对应位置$p_{t-1}$。
$p_s \sim K \hat T_{t \to s} \hat D_t(p_t)K^{-1}p_t$
其中,$K$是摄像头的内参矩阵(出厂时进行标定或自己标定)。

投影到的位置后使用相邻像素进行双线性插值进行图像重建,以光度重建缺失同时训练两个网络。
$L_{vs} = \sum_s{\sum_p | I_t(p) - \hat I_s(p)|}$
局限性
应用在视频时,方案包含了三个假设前提

1. 依赖于SFM,如果图像里的物体是“静止”,其实是该物体和本身的运动速度一致,那个该物体在不同时间上的视图里,不会发生变化,固“静止”。
2. 不考虑遮挡,是先把要处理的问题简单化。
3. 重建损失的前提。
局限性解决
1. 解决静止和遮挡
增加一个可解释性预测网络,该网络为每个目标-源对输出每个像素的软掩码$\hat E_s$,表明网络信任那些目标像素能进行视图合成。基于$\hat E_s$后的损失函数为
$L_{vs} = \sum_{<I_1,...,I_N> \in S}{\sum_p{\hat E_s(p)|I_t(p) - \hat I_s(p)|}}
由于不能对$\hat E_s$直接监督,使用上述的损失进行训练将导致网络总是预测$\hat E_s$为零(就最小化了损失)。为了解决这个问题,添加一个正则项$L_{reg}(\hat E_s)$,通过在每个像素位置上使用常数标签1最小化交叉熵损失来鼓励非零预测。
2. 克服梯度局部性
上述的学习方式还有一个遗留问题,梯度主要来自$I(p_t)$和它4个邻居之间的像素强度差,如果像素位于低纹理区域或远离当前估计,则会抑制训练。解决这个问题有两个方案:
1. 使用总面积encoder-deconder架构,深度网络的输出隐含地约束全局平滑,并促进梯度从有意义的区域传播到附近的区域。
2. 明确的多尺度和平滑损失,允许直接从更大的空间区域导出梯度。
作者选择第二种方案,原因是它对架构选择不太敏感。为了平滑,作者最小化预测深度图的二阶梯度的L1范数。最终的损失函数为:
$L_{final} = \sum_l{L_{vs}^l} + \lambda_s L_{smooth}^l + \lambda_e \sum_s{L_{reg}(\hat E_s^l)}$
总结
在作者提出该方案前,已经存在基于深度值的监督学习和基于姿态的监督学习,他的出发点是以多种有相关性的任务同时学习,从而融合它们的学习结果可以回归到原图像,这使一方面同时训练多个相关模型,另一方面能起到自监督的效果。
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