DSAC – Differentiable RANSAC for Camera Localization && CVPR 2017 论文笔记

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通讯作者：Carsten Rother

第一作者：Eric Brachmann

研究机构：德累斯顿工业大学，微软

代码地址：DSAC

自己的想法：

随机森林的思想在很多需要解决歧义性和多解的问题中出现，如果一个预测器没法分辨出相似的两种情况，那就训练多个预测器。

论文解决的问题

解决了RANSAC方法不可微因而无法应用到深度学习中的问题。

首先介绍下RANSAC：

该算法用于将模型拟合到一组存在噪声的数据上的任务，已经有多种RANSAC的变种被提出，这里只介绍基础版本。

1. 通过对数据的最小子集进行采样来生成一组模型假设
2. 基于某种相似性的量度对模型假设进行打分
3. 选择分数最高的模型假设
4. 使用其他数据点来优化完善所选择的模型假设

算法不可微，因此RANSAC不能参与到深度学习模型的训练过程中去。

现有方法的不足 & 本文贡献

现有的基于RANSAC的相机位姿预测方法都没有能够端到端训练的。

本文提出了两种克服RANSAC不可微的方法，其中效果较好的一种叫做DSAC。为了证明DSAC的有效性，作者将其应用到相机定位问题中，显著提升了视觉定位的精度（高出SOTA 7.3%）。

论文方法介绍

具体的，作者基于场景坐标回归森林（SCoRF）的方法 ，使用深度神经网络和DSAC对其改造，论证了DSAC的效果。

标注说明：

$I、\ i$I、 i 分别表示输入图像和像素的index，

$y(I,i)、\ y_i$y(I,i)、 yi​均表示像素$i$i的三维坐标的预测值，

$Y(I)、\ Y$Y(I)、 Y均表示对图像$I $的所有像素的三维坐标的预测值。

$\tilde{h}$h~ 表示模型参数

模型概述：

如上图，

1. 首先使用W网络对输入图像进行预测，得到每一个像素点的三维坐标预测值（correspondences）。
2. 每个最小坐标子集$Y_J$YJ​包含4个correspondences（通过随机采样获得），通过PNP算法每个最小坐标子集可以得到一个模型假设。通过这种方法得到一个假设集$\{h_i\}${hi​}
3. 使用基于重投影误差的标量函数S对每个假设模型打分。
4. 选择得分最高的一个假设模型$h_{AM}$hAM​，使用剩余的correspondences对该最佳假说模型进行优化。

$重投影误差：\quad e_i=‖pi−Ch_Jy_i‖\quad pi为像素i的坐标，C是相机的投影矩阵\\当重投影误差小于设定的阈值时该点即被视为inlier，否则视为outlier\\标量函数 s(h_J,Y) 统计了假说h_J的inlier数目作为打分数值\\$重投影误差：ei​=‖pi−ChJ​yi​‖pi为像素i的坐标，C是相机的投影矩阵当重投影误差小于设定的阈值时该点即被视为inlier，否则视为outlier标量函数s(hJ​,Y)统计了假说hJ​的inlier数目作为打分数值

本文方法基于前人的几篇论文：

• 论文《Scene coordinate regression forests for cam-era relocalization in rgb-d images》提出了回归森林方法，用于获得三维坐标预测$y(I,i)$y(I,i)
• 论文《Learning analysis by synthesis for 6d pose estimation in rgb-d images》提出了标量函数$s(h_J,Y)$s(hJ​,Y)

但是都是分开训练的，本文的工作就是将两部分结合在一起成为一个可端到端训练的模型。

下图说明了基础的RANSAC（不可微）、基于softmax的RANSAC（可微）、DSAC三种方法的异同：

Soft argmax Selection (SoftAM)：

实际上，该方法使用所有假说模型的加权和作为最终的最佳模型，避开了原始版本RANSAC需要求argmax的不可微操作：
$h^{w,v}_{SoftAM}=\sum_JP(J|v,w)h^w_J\\w,v分别表示三维坐标预测网络和打分模块，是网络需要训练的参数\\其中：P(J|v,w) =\frac{exp(s(h^w_J,Y^w;v))}{\sum_{J′}exp(s(h^w_{J'}Y^w;v))}$hSoftAMw,v​=J∑​P(J∣v,w)hJw​w,v分别表示三维坐标预测网络和打分模块，是网络需要训练的参数其中：P(J∣v,w)=∑J′​exp(s(hJ′w​Yw;v))exp(s(hJw​,Yw;v))​
最后通过优化损失函数L得到最优参数$\tilde w,\tilde v$w~,v~:
$\tilde w,\tilde v= argmin_{w,v}\sum_{I\in L}L(R(h^{w,v}_{AM},Y^w),h^∗)\\其中h^*为模型参数的真值，函数R(H，y)负责根据y优化假说H$w~,v~=argminw,v​I∈L∑​L(R(hAMw,v​,Yw),h∗)其中h∗为模型参数的真值，函数R(H，y)负责根据y优化假说H

Probabilistic Selection (DSAC)：

使用概率选择的思想：
$h^{w,v}_{DSAC}=h^w_J,\ with \ J∼P(J|v,w)\\其中的P(J|v,w)与之前提到的相同$hDSACw,v​=hJw​, with J∼P(J∣v,w)其中的P(J∣v,w)与之前提到的相同
此时需要优化损失函数的期望值：
$\tilde w,\tilde v= argmin_{w,v}\sum_{I\in L}E_{J∼P(J|v,w)}[L(R(h^w_J,Y^w))]$w~,v~=argminw,v​I∈L∑​EJ∼P(J∣v,w)​[L(R(hJw​,Yw))]
计算梯度:
$\frac{∂}{∂w}E_{J∼P(J|v,w)}[L(·)] =E_{J∼P(J|v,w)}[L(·)\frac{∂}{∂w}logP(J|v,w) +\frac{∂}{∂w}L(·)]$∂w∂​EJ∼P(J∣v,w)​[L(⋅)]=EJ∼P(J∣v,w)​[L(⋅)∂w∂​logP(J∣v,w)+∂w∂​L(⋅)]

Differentiable Camera Localization:

作者整体框架借鉴了论文《 Uncertainty-driven 6d pose estimation of ob-jects and scenes from a single rgb image》，不同之处在于：

1. 将其中的随机森林换成了CNN用来预测三维坐标。
2. 同样使用CNN来对假设模型打分

模型结构如图：