Authors: Jia-Ren Chang, Yong-Sheng Chen
Link: https://arxiv.org/abs/1803.08669
Years: 2018

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Novelty and Question set up

本文提出之时，基于深度学习的立体匹配主流方式仍是patch-based孪生结构，这种方式缺乏上下文信息的获取能力，为了解决这个问题，作者提出了PSMnet，主要通过SPP和3D CNN模块来进行上下文信息的学习。其中SPP（空间金字塔池化）结构利用全局多尺度信息来捕获上下文，而3DCNN则是利用多个hourglass结构来实现更优化的cost volume正则。

本文主要贡献：

• 提出一个端对端框架直接获得视差图，并且不需要任何后处理
• 提出利用SPP来捕获图像上下文信息
• 提出利用3D Conv的stacked hourglass来进一步获得上下文线索以实现更优的cost volume正则

Solutions and Details

• 总体结构
  

  整体网络结构分4个stage：

  1. CNN：用于提取图像特征，PSMNet在最末几个block采用了dilation来扩大感受野
     
  2. SPP：用于聚合上下文信息
     
  3. Cost Volume：构建左右图特征的匹配代价，采用特征concatenate策略
     
  4. Regularization：采用3个hourglass对代价体进行正则化，每个hourglass block都会输出一个预测视差图，训练阶段会对三个视差图进行加权平均，而推理时只采用最后一层输出的视差图
     

• 视差回归

  沿用GC-Net的soft argmin策略，对所有视差level进行一个可差分的回归估计

  $$\hat{d}=\sum _{d=0}^{D_{max}}d\times \sigma (-c_d)$$

• 损失函数

  采用SmoothL1作为损失函数，对ground truth视差图和预测视差计算平均误差

  $$L(d,\hat{d})=\frac{1}{N}\sum _{i=1}^{N}smoot{h}_{L1}(d_i-{\hat{d}}_i)$$

Results

• 在Sceneflow和KITTI-2012/2015上进行实验，最大视差设置为192，对于KITTI数据集，由于数据量太少，采用在Sceneflow上预训练的模型进行finetune
• 在KITTI和Sceneflow上进行消融实验，验证dliated conv、SPP、stacked hourglass对精度的影响，结果显示三者都用对精度提升帮助比较大；另外在KITTI上进行loss的权重选取对比，0.5\0.7\1.0的组合效果最佳
• 在KITTI2015上与其他SOTA的表现对比，除了前景区域，其余精度指标上表现都比其他SOTA要好
• 在Sceneflow数据集上与其他SOTA比较，EPE指标上明显好于其他模型，比GC-Net误差明显要低很多
• 在KITTI2012上与其他模型比较，所有指标均达到SOTA水平
  

Thoughts

• PSMNet采用SPP，不仅突破了模型对分辨率，也增强了立体匹配必需的上下文信息聚合的能力
• 采用stacked hourglass增强了代价正则的效果，但因为用了3D卷积，这个stage算力要求非常高，并且stacked hourglass会产生大量的feature map缓存，内存开销也不小
• PSMNet的创新点基本都在模型结构上，范式基本还是沿用GC-Net，其他方面没有太多亮点