论文阅读《Iterative Geometry Encoding Volume for Stereo Matching》

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2303.06615.pdf
源码地址：https://github.com/gangweiX/IGEV

---

概述

该文章针对立体匹配中 All-pair correlations 缺乏非局部几何知识，难以处理病态区域中的局部歧义性的问题，提出 Iterative Geometry Encoding Volume（IGCV-Stereo） 用于立体匹配。该模型构建了一个 Combined Geometry Encoding Volume 来学习几何信息与上下文信息，并通过迭代优化的策略来更新视差图。

---

模型架构

Feature Extractor

Feature Network
  给定左右图像 ${\mathbf{I}}_{\mathbf{l}(\mathbf{r})}\in {\mathbb{R}}^{3\times H\times W}$，使用在ImageNet上预训练得到的 MobileNetV2 来提取尺寸为原图大小 $\frac{1}{32}$ 的特征图，然后使用带有残差连接的上采样模块来得到不同尺度的特征图：${\mathbf{f}}_{l,i},{\mathbf{f}}_{r,i}\in {\mathbb{R}}^{C_i\times \frac{H}{i}\times \frac{W}{i}},(i=4,8,16,32)$ , $C_i$ 为特征通道数。${\mathbf{f}}_{l,4}$ 与 ${\mathbf{f}}_{r,4}$ 用来构建代价体，且 ${\mathbf{f}}_{l,i},(i=4,8,16,32)$ 用来引导代价体正则化。

Context Network
  参考RAFT，上下文网络由一系列残差块和下采样层组成。它能够生成分辨率分别为输入图像的 1/4、1/8 和 1/16，通道数为 128 的多尺度的上下文特征。这些多尺度的上下文特征用于初始化基于 ConvGRU 的更新算子的隐藏状态，并在每次迭代中插入到 ConvGRUs 中。

Combined Geometry Encoding Volume

  参考GwcNet，给定 ${\mathbf{f}}_{l,4}$ 与 ${\mathbf{f}}_{r,4}$, 沿着特征维度将特征图分为8组用于构建组相关代价体：
$${\mathbf{C}}_{corr}(g,d,x,y)=\frac{1}{N_c/N_g}⟨{\mathbf{f}}_{l,4}^g(x,y),{\mathbf{f}}_{r,4}^g(x-d,y)⟩\text{\hspace{1em}(1)}$$
  考虑到仅基于特征相关性的代价体 $C_{corr}$ 缺乏捕获全局几何结构的能力。为了解决该问题，使用轻量级的 3D 正则化网络 $R$ 对 $C_{corr}$ 进行正则化，以获得几何编码代价体（geometry encoding volume） $C_G$：
$$C_G=\mathbf{R}(C_{corr})\text{\hspace{1em}(2)}$$
  3D 正则化网络 $\mathbf{R}$ 为轻量级的 3D UNet，其中由 3 个下采样块和 3 个上采样块组成。每个下采样块由两个 $3\times 3\times 3$ 的 3D 卷积组成。3个下采样块的通道数分别为 16、32、48。每个上采样块由一个 $4\times 4\times 4$ 的 3D 转置卷积和两个 $3\times 3\times 3$ 的 3D 卷积组成。此外，还参考 CoEx 的方法，使用左视图的特征图来生成引导权重来对代价体的通道进行加权：
$${\mathbf{C}}_i^{\prime }=\sigma \left({\mathbf{f}}_{l,i}\right)\odot {\mathbf{C}}_i\text{\hspace{1em}(3)}$$
  其中 $\sigma$ 是 sigmoid 函数，$\odot$ 表示哈达玛积。使得模型能够有效地推断和传播场景几何信息，从而形成几何编码体积。此外，还计算相应的左右特征之间的 all-pairs correlations（APC) 来捕获局部特征信息。为了增加模型的感受野，使用 kernel size = 2，stride = 2 的平均池化层沿着视差维度进行池化，构建两级 $C_G$ 金字塔和all-pairs correlation $C_A$ 金字塔。继而将 $C_G$ 金字塔和 $C_A$ 金字塔结合起来形成一个组合几何编码体积（combined geometry encoding volume）。

ConvGRU-based Update Operator

  使用 soft argmin 函数来将 $C_G$ 回归处初始视差图：
$${\mathbf{d}}_0=\sum _{d=0}^{D-1}d\times \mathrm{Softmax}\left({\mathbf{C}}_G(d)\right)\text{\hspace{1em}(4)}$$
其中 ${\mathbf{d}}_0$ 为原图尺寸的 1/4，然后将其作为初始视差图，使用多尺度的上下文特征（Context features）来初始化3级GRU的隐藏层，继而使用 ConvGRUs 模块来对视差图迭代优化。

  每次迭代过程中，使用当前的视差图 $d_k$ 来对几何编码体积中的代价体进行索引（线性插值）得到 $G_f$ :
$${\mathbf{G}}_f=\sum _{i=-r}^r\text{ Concat }\{{\mathbf{C}}_G\left({\mathbf{d}}_k+i\right),{\mathbf{C}}_A\left({\mathbf{d}}_k+i\right),{\mathbf{C}}_G^p\left({\mathbf{d}}_k/2+i\right),{\mathbf{C}}_A^p\left({\mathbf{d}}_k/2+i\right)\},\text{\hspace{1em}(5)}$$
其中 $d_k$ 为当前视差图， $r$ 为索引半径，$p$ 为池化操作。将 $G_f$ 与 $d_k$ 进行编码后与 $d_k$ 进行拼接，得到一个新的特征 $x_k$，然后使用 ConvGRUs来更新隐藏层 $h_{k-1}$：
$$\begin{array}{rl}{x}_k& =\left[{\mathrm{Encoder}}_g\left({\mathbf{G}}_f\right),{\text{ Encoder }}_d\left({\mathbf{d}}_k\right),{\mathbf{d}}_k\right]\\ z_k& =\sigma \left(\mathrm{Conv}\left(\left[h_{k-1},x_k\right],W_z\right)+c_k\right)\\ r_k& =\sigma \left(\mathrm{Conv}\left(\left[h_{k-1},x_k\right],W_r\right)+c_r\right)\\ {\tilde{h}}_k& =\tanh \left(\mathrm{Conv}\left(\left[r_k\odot h_{k-1},x_k\right],W_h\right)+c_h\right),\\ h_k& =\left(1-z_k\right)\odot h_{k-1}+z_k\odot {\tilde{h}}_k\end{array}\text{\hspace{1em}(6)}$$
$c_k$，$c_r$和 $c_h$ 是从context network 生成的上下文特征。ConvGRUs的隐藏状态中的通道数为128，context feature 的通道数也为128。${\mathrm{Encoder}}_g$ 和 ${\mathrm{Encoder}}_d$ 分别由两个卷积层组成。基于隐藏状态 $h_k$，通过两个卷积层来预测残差视差$△d_k$用于更新当前视差：$${\mathbf{d}}_{k+1}={\mathbf{d}}_k+\Delta {\mathbf{d}}_k\text{\hspace{1em}(7)}$$

Spatial Upsampling

  通过对预测的1/4分辨率视差 $d_k$ 进行加权组合来输出全分辨率视差图，使用更高分辨率的上下文特征来获得权重。然后对隐藏状态进行卷积以生成特征，将其上采样到1/2分辨率后将上采样的特征与左图像的 $f_{l,2}$ 拼接后以产生权重 $W\in {\mathbb{R}}^{H\times W\times 9}$。通过对其粗分辨率邻域的加权组合来输出全分辨率视差图。

---

损失函数

$$\begin{array}{l}{\mathcal{L}}_{\text{init }}={\text{ Smooth }}_{L_1}\left({\mathbf{d}}_0-{\mathbf{d}}_{gt}\right)\\ {\mathcal{L}}_{\text{stereo }}={\mathcal{L}}_{\text{init }}+{\sum }_{i=1}^N{\gamma }^{N-i}{\Vert {\mathbf{d}}_i-{\mathbf{d}}_{gt}\Vert }_1\end{array}\text{\hspace{1em}(8)}$$
其中 $\gamma =0.9$

---

实验结果