0. 筆者個人體會

在低紋理區(qū)域，傳統(tǒng)的基于特征點(diǎn)的SfM/SLAM/三維重建算法很容易失敗。因此很多算法會嘗試去提取線特征來提高點(diǎn)特征的魯棒性，典型操作就是LSD。

但在一些帶噪聲的低光照環(huán)境下，LSD很容易失效。而且線特征檢測的難點(diǎn)在于，由于遮擋，線端點(diǎn)的精確定位很難獲得。

它使用深度學(xué)習(xí)來處理圖像并丟棄不必要的細(xì)節(jié)，然后使用手工方法來檢測線段。

因此，DeepLSD不僅對光照和噪聲具有更強(qiáng)魯棒性，同時保留了經(jīng)典方法的準(zhǔn)確性。整篇文章的推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)非常詳實(shí)，重要的是算法已經(jīng)開源！

2. 摘要

線段在我們的人造世界中無處不在，并且越來越多地用于視覺任務(wù)中。由于它們提供的空間范圍和結(jié)構(gòu)信息，它們是特征點(diǎn)的補(bǔ)充。

基于圖像梯度的傳統(tǒng)線檢測器非?？焖俸蜏?zhǔn)確，但是在噪聲圖像和挑戰(zhàn)性條件下缺乏魯棒性。他們有經(jīng)驗(yàn)的同行更具可重復(fù)性，可以處理具有挑戰(zhàn)性的圖像，但代價是精確度較低，偏向線框線。

我們建議將傳統(tǒng)方法和學(xué)習(xí)方法結(jié)合起來，以獲得兩個世界的最佳效果:一個準(zhǔn)確而魯棒的線檢測器，可以在沒有真值線的情況下在野外訓(xùn)練。

我們的新型線段檢測器DeepLSD使用深度網(wǎng)絡(luò)處理圖像，以生成線吸引力場，然后將其轉(zhuǎn)換為替代圖像梯度幅度和角度，再饋入任何現(xiàn)有的手工線檢測器。

此外，我們提出了一個新的優(yōu)化工具，以完善基于吸引力場和消失點(diǎn)的線段。

這種改進(jìn)大大提高了當(dāng)前深度探測器的精度。我們展示了我們的方法在低級線檢測度量上的性能，以及在使用多挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)集的幾個下游任務(wù)上的性能。

3. 算法解讀

作者將深度網(wǎng)絡(luò)的魯棒性與手工制作的線特征檢測器的準(zhǔn)確性結(jié)合起來。具體來說，有如下四步：

(1) 通過引導(dǎo)LSD生成真實(shí)線距離和角度場(DF/AF)。

(2) 訓(xùn)練深度網(wǎng)絡(luò)以預(yù)測線吸引場DF/AF，然后將其轉(zhuǎn)換為替代圖像梯度。

(3) 利用手工LSD提取線段。

(4) 基于吸引場DF/AF進(jìn)行細(xì)化。

圖1 方法概述

作者所做主要貢獻(xiàn)如下：

(1) 提出了一種自舉當(dāng)前檢測器的方法來在任意圖像上創(chuàng)建真實(shí)線吸引場。

(2) 引入了一個優(yōu)化過程，可以同時優(yōu)化線段和消失點(diǎn)。這種優(yōu)化可以作為一種獨(dú)立的細(xì)化來提高任何現(xiàn)有的深度線檢測器的精度。

(3) 在多個需要線特征的下游任務(wù)中，通過結(jié)合深度學(xué)習(xí)方法的魯棒性和手工方法在單個pipeline中的精度，創(chuàng)造了新的記錄。

3.1 線吸引場

最早通過吸引場表示線段的方法是AFM，為圖像的每個像素回歸一個2D向量場，來表示直線上最近點(diǎn)的相對位置。

該方法允許將離散量(線段)表示為適合深度學(xué)習(xí)的平滑2通道圖像。然而，這種表示方法并不是獲得精確線段的最佳方法。

如圖2所示，比如HAWP那樣直接預(yù)測端點(diǎn)的位置需要很大的感受野，以便能夠從遙遠(yuǎn)的端點(diǎn)獲取信息。

圖2 吸引場參數(shù)化。(a)對二維向量進(jìn)行參數(shù)化可能會對小向量模產(chǎn)生噪聲角。(b) 向端點(diǎn)添加偏移量需要長程信息且對噪聲端點(diǎn)不具有魯棒性。作者提出將距離場(c)和線角度場(d)解耦。

而DeepLSD這項(xiàng)工作的巧妙之處在于，作者提出將網(wǎng)絡(luò)限制在一個較小的感受野，并使用傳統(tǒng)的啟發(fā)式方法來確定端點(diǎn)。

DeepLSD采用和HAWP類似的吸引場，但沒有額外的兩個指向端點(diǎn)的角度，只保留線距離場(DF)和線角度場(AF)。其中線距離場DF給出當(dāng)前像素到直線上最近點(diǎn)的距離，線角度場AF返回最近直線的方向：

3.2 真值生成

為了學(xué)習(xí)線吸引場，需要ground truth。AFM和HAWP都是使用線框數(shù)據(jù)集的真值來監(jiān)督。但DeepLSD的作者探索了一種新的方法，即通過引導(dǎo)先前的線檢測器來獲取真值。

具體來說，就是通過單應(yīng)性自適應(yīng)生成真值吸引場。給定單幅輸入圖像I，將其與N個隨機(jī)單應(yīng)矩陣Hi進(jìn)行wrap，在所有wrap后的圖像Ii中使用LSD檢測直線段，然后將其wrap回到I來得到線集合Li。

下一步是將所有的線聚合在一起，這一部分是個難點(diǎn)。作者的做法是將線條集合Li轉(zhuǎn)換為距離場Di和角度場Ai，并通過取所有圖像中每個像素(u, v)的中值來聚合：

通過取中值，可以去除僅在少數(shù)圖像中檢測到的噪聲，結(jié)果如圖3所示。

圖3 偽GT可視化

3.3 學(xué)習(xí)線吸引場

為了回歸距離場和角度場，DeepLSD使用了UNet架構(gòu)，尺寸為HxW的輸入圖像經(jīng)多個卷積層處理，并通過連續(xù)3次平均池化操作逐步降采樣至8倍。

然后通過另一系列卷積層和雙線性插值將特征放大回原始分辨率。得到的深度特征被分成兩個分支，一個輸出距離場，一個輸出角度場。最后距離場通過反歸一化得到：

其中r是像素中的一個參數(shù)，它定義了每條線周圍的區(qū)域。由于手工方法主要需要線段附近的梯度信息，因此DeepLSD只對距離線段小于r個像素的像素進(jìn)行監(jiān)督。

總損失為距離場和角度場的損失之和：

這里就沒啥可說的了，LD為歸一化距離場之間的L1損失，LA為L2角度損失：

3.4.提取線段

由于LSD是基于圖像梯度的，因此需要將距離場和角度場轉(zhuǎn)換為替代圖像梯度幅度和角度：

AFM和LSD方法的一個重要區(qū)別是梯度方向。對于黑暗與明亮區(qū)域分離的邊緣，LSD跟蹤從暗到亮的梯度方向，而AFM不跟蹤。

如圖4所示，當(dāng)幾條平行線以暗-亮-暗或亮-暗-亮的模式相鄰出現(xiàn)時，這就變得很重要。

為了更好的精度和尺度不變性，DeepLSD檢測這些雙邊緣，并構(gòu)造角度方向：

圖4 區(qū)分雙邊緣。(a) 亮-暗-亮邊緣和定向角度場的示例。(b) HAWP將其視為一條直線。(c) 為了準(zhǔn)確，DeepLSD將其檢測為兩條線。

為了使線特征更加精確，作者還提出了一個優(yōu)化步驟，即利用第二步預(yù)測的DF和AF來細(xì)化。需要注意的是，這種優(yōu)化方法也可以用來增強(qiáng)任何其他深度探測器的線特征。

優(yōu)化的核心思路是，在3D中平行的線將共享消失點(diǎn)。因此DeepLSD將其作為軟約束融入到優(yōu)化中，有效地降低了自由度。

首先利用多模型擬合算法Progressive-X計(jì)算一組與預(yù)測線段相關(guān)的消失點(diǎn)(VPs)。然后對每條線段獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化，損失函數(shù)是三種不同成本的加權(quán)無約束最小二乘最小化：

4. 實(shí)驗(yàn)

作者訓(xùn)練了DeepLSD的兩個版本，一個在室內(nèi)Wireframe數(shù)據(jù)集，沒有使用GT線，一個室外MegaDepth數(shù)據(jù)集。

MegaDepth數(shù)據(jù)集保留150個場景用于訓(xùn)練，17個場景用于驗(yàn)證，每個場景只采集50張圖像。

在實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)上，使用Adam優(yōu)化器和初始學(xué)習(xí)率為1e3，學(xué)習(xí)率調(diào)整策略為，當(dāng)損失函數(shù)到達(dá)一定數(shù)值時學(xué)習(xí)率/10。

硬件條件為，在NVIDIA RTX 2080 GPU上訓(xùn)練時間12小時。

4.1 直線檢測性能

作者首先在HPatches數(shù)據(jù)集和RDNIM數(shù)據(jù)集上評估直線檢測性能，其中HPatches數(shù)據(jù)集具有不同的光照和視點(diǎn)變化，RDNIM數(shù)據(jù)集具有挑戰(zhàn)性的晝夜變化相關(guān)的圖像對。

評價指標(biāo)為重復(fù)性、定位誤差以及單應(yīng)估計(jì)分?jǐn)?shù)。重復(fù)性(Rep)衡量匹配誤差在3個像素以下的直線的比例，定位誤差(LE)返回50個最準(zhǔn)確匹配的平均距離。表1和圖5所示是與經(jīng)典線特征檢測器的對比結(jié)果。

表1 在HPatches和RDNIM數(shù)據(jù)集上的直線檢測評估

圖5 線段檢測示例

從結(jié)果來看，以TPLSD為首的學(xué)習(xí)方法具有較好的可重復(fù)性，但存在較低的定位誤差和不準(zhǔn)確的單應(yīng)矩陣估計(jì)。

手工方法和DeepLSD由于不直接對端點(diǎn)進(jìn)行回歸，而是利用非常低的細(xì)節(jié)逐步增長線段，因此精度更高。

當(dāng)變化最具挑戰(zhàn)性時，DeepLSD比LSD表現(xiàn)出最好的改善，即在晝夜變化強(qiáng)烈的RDNIM上。

可以顯著提高定位誤差和單應(yīng)性估計(jì)分?jǐn)?shù)。LSDNet由于通過將圖像縮放到固定的低分辨率而失去了準(zhǔn)確性。

總體而言，DeepLSD在手工方法和學(xué)習(xí)方法之間提供了最佳的權(quán)衡，并且在單應(yīng)性估計(jì)的下游任務(wù)中始終排名第一。

4.2 重建及定位

這項(xiàng)工作除了評估自身的線特征生成質(zhì)量外，還進(jìn)行了三維重建對比。作者利用Line3D++獲取一組已知姿態(tài)的圖像和相關(guān)的2D線段，并輸出線條的三維重建。

作者在Hypersim數(shù)據(jù)集的前4個場景上將DeepLSD與幾個基線進(jìn)行比較。其中召回R為距離網(wǎng)格5 mm以內(nèi)的所有線段的長度，單位為米，越高意味著許多線條被重建。精度P是距離網(wǎng)格5毫米以內(nèi)的預(yù)測線的百分比，越高表明大部分預(yù)測的直線在真實(shí)的三維表面上。

結(jié)果如表2所示，DeepLSD總體上獲得了最好的召回和精度。TP-LSD雖然在召回上排名第一，但是能夠恢復(fù)的直線很少，其平均精度比DeepLSD小71 %。

值得注意的是，DeepLSD比LSD能夠重建更多的直線，且精度更高。

表2 線三維重建對比結(jié)果

作者在7Scenes數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了定位實(shí)驗(yàn)，估計(jì)位姿精度，其中Stairs場景對于特征點(diǎn)的定位非常具有挑戰(zhàn)性。

圖6表明，DeepLSD在這個具有挑戰(zhàn)性的數(shù)據(jù)集上獲得了最好的性能。

與僅使用點(diǎn)相比，可以突出線特征帶來的性能的大幅提升。在室內(nèi)環(huán)境中，線特征提取并定位的性能良好，即使在低紋理場景中也可以匹配。

圖6 7Scenes數(shù)據(jù)集樓梯的視覺定位結(jié)果

4.3 線優(yōu)化的影響

作者還研究了優(yōu)化步驟的影響。對于每種方法，作者將原始線條與優(yōu)化后的線條和VP進(jìn)行比較。

表3展示了線檢測器在Wireframe測試集的462張圖像上的檢測結(jié)果。結(jié)果顯示，優(yōu)化可以顯著改善不精確方法的定位誤差和單應(yīng)性得分，并顯著提高評價直線精度的所有指標(biāo)。

特別是對于HAWP和TP-LSD，兩者的定位誤差都下降了32 %，單應(yīng)性得分提高了27 %和39 %。

注意，優(yōu)化并沒有給DeepLSD帶來多大提升，這是因?yàn)樗脑碱A(yù)測線已經(jīng)是亞像素精確的，并且優(yōu)化受到DF和AF分辨率的限制。

表3 Wireframe數(shù)據(jù)集上的線優(yōu)化

4.4 消融研究

作者在HPatches數(shù)據(jù)集上用低級別檢測器指標(biāo)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)選擇，將DeepLSD與單邊相同模型進(jìn)行比較。表4展示了各組成部分的重要性。

值得注意的是，在DeepLSD上重新訓(xùn)練HAWP會導(dǎo)致較差的結(jié)果，因?yàn)榕c線框線相比，線條的數(shù)量更多，而且一般的直線往往有噪聲的端點(diǎn)，因此預(yù)測到兩個端點(diǎn)的角度也是有噪聲的。

表4 HPatches數(shù)據(jù)集上的消融實(shí)驗(yàn)

5. 結(jié)論

作者提出了一種混合線段檢測器，結(jié)合了深度學(xué)習(xí)的魯棒性和手工檢測器的準(zhǔn)確性，并使用學(xué)習(xí)的替代圖像梯度作為中間表示。還提出了一種可以應(yīng)用于現(xiàn)有深度檢測器的優(yōu)化方法，彌補(bǔ)了深度檢測器和手工檢測器之間的線局部化的差距。





審核編輯：劉清