CVPR 2020 | 自适应聚合网络AANet：更高效的立体匹配
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?PaperWeekly 原創 ·?作者｜張承灝
單位｜中科院自動化所碩士生
研究方向｜雙目深度估計
本文介紹的是中科大團隊在 CVPR 2020 上提出的一種高效立體匹配網絡——自適應聚合網絡 AANet，它由兩個模塊組成：同尺度聚合模塊（ISA）和跨尺度聚合模塊（CSA）。AANet 可用來代替基于匹配代價體（cost volume）的 3D 卷積，在加快推理速度的同時保持較高的準確率。
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論文標題：AANet: Adaptive Aggregation Network for Efficient Stereo Matching
論文地址：https://arxiv.org/abs/2004.09548v1
開源代碼：https://github.com/haofeixu/aanet
Introduction
在基于深度學習的立體匹配方法中，以 GC-Net [1] 為代表的基于 3D 卷積的方法逐漸成為主流，它是由左右圖的特征經過 cancat 得到一個 4D 的 cost volume，之后利用 3D 卷積進行代價聚合得到最終的視差圖。
近兩年來以此框架為基礎的模型在 KITTI 等數據集上成為新的 state-of-the-art，例如 PSMNet [2]，GA-Net [3] 等。
這些方法估計的視差雖然準確率高，但是存在兩個參數量和內存占用量高的地方，
cost volume 是一個 H×W×D×C 的 4D 張量，具有較高的參數量；
利用 3D 卷積進行代價聚合，計算量較大；
AANet 主要用來解決上述兩個方面，從而提升深度立體匹配網絡的效率。
Methods
上圖是 AANet 的整體框架圖。給定一對雙目圖像，首先通過共享特征金字塔網絡（類似 ResNet+FPN）提取 1/3，1/6 和 1/12 分辨率的特征，之后對三種分辨率的左右圖特征分別經過correlation操作，得到多尺度的 3D 匹配代價。
接著經過 6 個堆疊的 AAModules 進行代價聚合，最后利用 soft argmin 操作回歸視差圖。AANet 可以得到三個尺度的輸出，在上采樣為原圖尺度時還采樣了 StereoDRNet [4] 中的精修模塊。
這里，AAModules 由 3 個同尺度聚合模塊（ISA）和一個跨尺度聚合模塊（CSA）組成，下面重點介紹這兩個模塊。
2.1 Adaptive Intra-Scale Aggregation (ISA)
同尺度聚合指的是只對相同分辨率的 cost volume 進代價聚合，來源于傳統立體匹配方法中的局部代價聚合：
其中 是在像素點 q 處，視差為 d 的經過聚合的匹配代價，像素點 q 屬于p點的鄰接像素點；而 是在像素點 q 處，視差為 d 的原始匹配代價， 是聚合權重。
傳統的局部代價聚合不能處理視差不連續的情況，容易造成物體邊緣和細微結構的粗大邊緣問題（edge-fattening）。盡管基于深度學習的方法能夠自動地學習權重 w，但是它們也還是采用固定窗口的規則卷積，并不能自適應地進行特征采樣。
為了解決上述問題，作者提出采用基于稀疏點的特征表示能夠更高效地進行代價聚合，并借鑒可變形卷積來改進代價聚合，提出了自適應的同尺度聚合模塊（ISA）：
其中 是聚合后的代價， 是采樣點的數量（K=3）， 是第 k 個點的聚合權重， 是像素點的固定偏置，而 是學習的附加正則化偏置。 類似可變形卷積的調制機制，用來調整聚合權重 。
和 可以由單獨的卷積層實現，整個 ISA 模塊由 3 個卷積和一個殘差模塊組成，類似 ResNet 中的 bottlemneck，三層分別是 1×1，3×3 和 1×1，其中 3×3 是可變形卷積。
上圖是兩個區域（綠色）的采樣點（紅色）分布情況，（a）在邊緣處采樣集中在相似的視差區域，（b）在大塊無紋理區域，采樣點成散落狀分布。這表明了自適應聚合的優勢。
2.2 Adaptive Cross-Scale Aggregation(CSA)
對于無紋理或者弱紋理區域，利用下采樣得到的粗糙尺度更能提取具有判別性的特征，但是對于一些細節特征，又需要較高分辨率的視差預測，因此多尺度聚合是一種常用的聚合方法。
作者借鑒傳統的跨尺度聚合方法，將其近似表達為：
其中 S 是經過跨尺度聚合后的 cost volume，而 是在第 k 個尺度經過 ISA 聚合后的 cost volume， 是使得 cost volume 能夠自適應地在多個尺度聚合的通用函數表示形式。
作者將 以 HRNet [5] 的形式實現（HRNet 是用于姿態估計的模型），其具體構成為：
其中 表示恒等映射函數， 用來和 下采樣分辨率保持一致，而 表示雙線性上采樣到相同分辨率，之后接 1×1 卷積對齊特征通道。
這一整套構成了 CAS 模塊，具體的可視化連接方式可以參考 HRNet，簡單來說是每個尺度特征都收到來自其他各層的特征，并統一到該層的分辨率融合。
2.3 Loss Function
和以往直接采用預測視差和視差 GT 作 smooth L1 loss 不同，作者認為像 KITTI ?這樣的數據集只提供了稀疏的標簽，可以使用已經訓練好的模型先進行偽標簽標注，從而得到密集的標簽信息，用來彌補真實標簽沒有標注的地方。
作者采用 GA-Net 進行偽標簽標注，第 i 層的損失函數為：
其中 為第 i 層的視差輸出， 為 ground truth 視差， 為 GA-Net 標注的偽標簽， 是一個二值掩碼，用來標記有效像素點。即 GT 標注的視差用 GT，GT 沒有標注的視差用偽標簽。
最終的 loss 為， 為損失權重：
Experiments
作者采用了 KITTI 2012、KITTI 2015 和 SceneFlow 數據集進行實驗。
3.1 Ablation Study
首先作者做了消融分析，驗證 ISA 和 CSA 模塊的有效性。
由上表可以看出，結合了 ISA 和 CSA 的 AANet 在兩個數據集上表現最佳。
從上圖的定性可視化看，在弱紋理區域能夠得到更銳化和細致的結果。
3.2 Comparison with 3D Convolutions
作者和有代表性的 4 個模型進行了比較，其他 4 個模型都采用了 3D 卷積。將這 4 個模型的 backbone 換成一樣，再將 3D 卷積換成 AANet 的 ISA 和 CSA 模塊，構成 XX-AA 模型。
從上表結果可以看出，除了 GA-Net，其他具備 AANet 模塊的模型準確率都高一些。并且從參數量，計算量和內存占用量以及運行時間上都有降低，可見 AANet 的確讓立體匹配更加高效。
3.3 Benchmark Results
上表是在 KITTI 2012 和 KITTI 2015 上的結果，相比于精度高的模型，AANet 速度最快；相比于速度快的模型，AANet 精度最高，是一個不錯的 trade-off。
Conclusion
3D 卷積的確是基于 cost volume 立體匹配方法的痛點，想要讓立體匹配更高效，少用或者不用 3D 卷積是一個很好的解決思路。從立體匹配提速角度看，之后的研究可以從如何替代 3D 卷積，或者如何減少 3D 卷積的入手。
從其他相似領域角度看，如何將這種思路應用到高分辨率立體匹配，多視角立體視覺（MVS），光流估計，基于雙目的 3D 檢測等領域。
參考文獻
[1] Alex Kendall, Hayk Martirosyan, Saumitro Dasgupta, Peter Henry, Ryan Kennedy, Abraham Bachrach, and Adam Bry. End-to-end learning of geometry and context for deep stereo regression. In CVPR 2017.
[2] Jia-Ren Chang and Yong-Sheng Chen. Pyramid stereo matching network. In CVPR 2018.
[3] Feihu Zhang, Victor Prisacariu, Ruigang Yang, and Philip HS Torr. Ga-net: Guided aggregation net for end-to-end stereo matching. In CVPR 2019.
[4] Rohan Chabra, Julian Straub, Christopher Sweeney, Richard Newcombe, and Henry Fuchs. Stereodrnet: Dilated residual stereonet. In CVPR 2019.
[5] Ke Sun, Bin Xiao, Dong Liu, and Jingdong Wang. Deep high-resolution representation learning for human pose estimation. In CVPR 2019.
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總結
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