深度学习 +SLAM：SuperGlue

简介

传统SLAM的流程通常包括如下内容， 特征点提取+描述，特征点匹配 + 异常点去除， 位姿估计。

 在以往前人的工作中，SuperPoint和 D2-Net试图解决特征点检测和描述的问题。而检测之后的匹配通常通过最近邻匹配和异常点剔除的方式完成。最后再完成位姿估计。

而SuperGlue试图将特征点的描述，特征的匹配（异常点的剔除）采用端到端的深度网络实现。这意味着距离实现全栈的DLslam又进了一步。

动机

很多场景，由于纹理特征不足，或者局部特征不具备代表性，特征匹配不能取得很好的效果。如下图棋盘格，采用最近邻和distance ratio后，效果依旧非常糟糕。这个例子想说明的是，即使具备了特征点和描述子，由于视角的变化和纹理特征的缺失。很多时候，我们依旧无法获取好的data association。

算法介绍

问题定义

我们要解决的问题“学习特征匹配”。也可以被解读为，寻找两个特征点集合的最优匹配关系。

该算法输入为：

• 两张图片
• 图片上的特征点和描述子（两张图片分别包含m，n个特征点和描述子）

输出为：

M*N的输出，表示两张图片上特征点匹配的概率。

网络框架

• 采用注意力机制的图神经网络

 首先一个编码器用于处理特征点描述子和特征点位置。这里使用了流行的注意力机制。

• 求解“局部求解问题” (partial assignment problem)

利用Sinkhorn Algorithm求解。

细节

 首先，采用MLP来结合特征点的描述子和位置信息。

 

然后，利用基于其他特征点的信息来进行更新。其中，在同一张图像上的称为“self edge”，在其他图像上的称为“cross edge”。

接着，采用Message Passing Neural Network来进行网络的更新。

Attentional Aggregation(不太懂)

 

 self-attention用于区分同一图片的不同特征点；cross attention用于区分不同图片的相同（位置）特征点。

特征匹配

最后一步为特征匹配，利用Sinkhorn算法，我们基于位姿信息的真值进行训练。

The cost function of this optimization is pre-dicted by a Graph Neural Network (GNN). Inspired by thesuccess of the Transformer.

总结：

SuperGlue的创新点可以总结为如下（from知乎）

1. 构建了一个可学习的特征匹配器，比传统的匹配器效果更好（如常见的bf.knnMatch()匹配器）；
2. 利用SuperPoint计算得到关键点与描述符，再通过该匹配器得到最佳匹配的关键点；
3. 涉及的主要技术有关键点编码、多头注意力机制（Multi-Head attention）、利用最优传输优化分配；
4. 关键点点编码，将关键点点位置嵌入到具有多层感知器（MLP）的高维向量，再与对应的描述符进行融合；
5. 多头注意力机制，其中self-attention用于提升局部描述符感受野，cross-attention用于提升两图特征信息交流（灵感来自于人类观察两物体不同点来回对比的过程）；
6. 最优传输优化分配，即将两组特征描述符进行矩阵运算得到得分矩阵S，对得分矩阵采用Sinkhorn算法，求得最优的分配矩阵P，然后根据分配矩阵得到最佳匹配的关键点；

参考资料

SuperGlue - 知乎