D2-Net（CVPR 2019）特征点检测论文笔记

1. 前言

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  detect-then-describe：对应 sparse local features，首先通过检测器得到特征点，然后提取特征点周围的 patch 得到描述符。
  缺点：差异大的图像对效果不好（昼夜、季节、弱纹理场景）
  原因：描述符由较大的区域得到，而特征点由很小区域的低级信息得到（角点等），导致检测的结果不稳定。

  作者表示，即使对应的特征点检测不到，但是描述符仍然可以成功匹配，所以放弃检测阶段，而是密集提取描述符，代价是匹配时间和内存消耗。

  detect-and-describe：本文的方法，通过 CNN 得到特征图，然后同时计算描述符并检测特征点。检测的特征点应当是在局部有不同的描述符的像素，这样会更适合匹配。
  缺点：（1）由于密集提取描述符，效率低，计算量大；（2）检测基于高级信息虽然鲁棒性好但是准确度低，但是也足够用于视觉定位和 SfM

2. 方法

2.1 特征提取

  首先是常规的用 CNN 提取图像 $I$ 的特征 $F=\mathcal{F}(I),F\in {\mathbb{R}}^{h\times w\times n}$，论文中给了特征两种写法：
（1）${\mathbf{d}}_{ij}=F_{ij:},\mathbf{d}\in {\mathbb{R}}^n$ 某个像素 $ij$ 的特征向量
（2）$D^k=F_{::k},D^k\in {\mathbb{R}}^{h\times w}$ 某个维度 $k$ 的特征图
  这里将特征提取函数 $\mathcal{F}$ 理解为 $n$ 个不同的特征检测函数 ${\mathcal{D}}^k$，每个检测函数输出一个二维特征图 $D^k$。

2.2 特征点检测

  定义特征点 $(i,j)$：
$$\begin{array}{ll}(i,j)\text{ is a detection}*& D_{ij}^k\text{ is a local max. in }{D}^k\\ & \text{with }k=\underset{t}{\mathrm{argmax}}{D}_{ij}^t\end{array}$$

即两个条件，像素点 $(i,j)$ 的特征向量中最大值索引为 $k$，且这个最大特征值在 $D^k$ 的局部区域也是最大值。
  为了在训练过程中便于反向传播，定义局部最大值得分，其中 $\mathcal{N}(i,j)$ 是以 $(i,j)$ 为中心的 $3\times 3$ 区域：
$${\alpha }_{ij}^k=\frac{\exp \left(D_{ij}^k\right)}{{\sum }_{\left(i^{\prime },j^{\prime }\right)\in \mathcal{N}(i,j)}\exp \left(D_{i^{\prime }{j}^{\prime }}^k\right)}$$

通道选择得分：
$${\beta }_{ij}^k=D_{ij}^k/\underset{t}{\max }{D}_{ij}^t$$

  Next, in order to take both criteria into account, we maximize the product of both scores across all feature maps $k$ to obtain a single score map:
  同时考虑两个得分标准，在所有特征图上最大化两个得分的乘积，得到一个一维的特征图（2021.12.9 可能是翻译的不对，后来看这句话有点迷惑，个人理解就是每个像素有个特征向量，特征向量的每个通道对应上面的操作计算出各自的得分；得分最高的作为整个特征向量也就是这个像素的得分，从而构成得分图）：
$${\gamma }_{ij}=\underset{k}{\max }\left({\alpha }_{ij}^k{\beta }_{ij}^k\right)$$

  最后通过归一化得到每个像素的检测得分：
$$s_{ij}={\gamma }_{ij}/\sum _{\left(i^{\prime },j^{\prime }\right)}{\gamma }_{i^{\prime }{j}^{\prime }}$$

2.3 损失函数

  给定一对图像 $(I_1,I_2)$ 和它们的匹配关系 $c:AB$，损失函数的目的是最小化相匹配的描述符 ${\hat{\mathbf{d}}}_A^{(1)}$ 和 ${\hat{\mathbf{d}}}_B^{(2)}$ 的距离 $p(c)$，同时最大化与其不匹配的描述符 ${\hat{\mathbf{d}}}_{N_1}^{(1)}$ 和 ${\hat{\mathbf{d}}}_{N_2}^{(2)}$ 的距离 $n(c)$。整个损失是在 triplet margin ranking loss 的基础上修改的。

$$\begin{gathered} p(c)={\Vert {\hat{\mathbf{d}}}_A^{(1)}-{\hat{\mathbf{d}}}_B^{(2)}\Vert }_2 \\ n(c)=\min \left({\Vert {\hat{\mathbf{d}}}_A^{(1)}-{\hat{\mathbf{d}}}_{N_2}^{(2)}\Vert }_2,{\Vert {\hat{\mathbf{d}}}_{N_1}^{(1)}-{\hat{\mathbf{d}}}_B^{(2)}\Vert }_2\right) \end{gathered}$$

不匹配的负样本是选择匹配像素周围一定区域以外，且与该描述符距离最小的样本
$$N_1=\underset{P\in I_1}{\mathrm{argmin}}{\Vert {\hat{\mathbf{d}}}_P^{(1)}-{\hat{\mathbf{d}}}_B^{(2)}\Vert }_2\text{ s.t. }\Vert P-A{\Vert }_{\infty }>K$$

给定边界条件 $M$，损失定义为：
$$m(c)=\max \left(0,M+p(c{)}^2-n(c{)}^2\right)$$

  此时，损失 $m(c)$ 会抑制任意可能导致错误匹配的特征对，从而加强描述符的独特性。为了检测的可重复性，在损失中加入一个检测项，作为最终的损失：
$$\mathcal{L}\left(I_1,I_2\right)=\sum _{c\in \mathcal{C}}\frac{s_c^{(1)}{s}_c^{(2)}}{{\sum }_{q\in \mathcal{C}}{s}_q^{(1)}{s}_q^{(2)}}m(p(c),n(c))$$

其中 $s_c^{(1)}{s}_c^{(2)}$ 是检测得分，$\mathcal{C}$ 是所有匹配点的集合。

  把左半部分作为检测项，右半部分作为特征项，从各个公式可以发现，检测项越大，是特征点的概率越高，特征项越小，特征越准确（或者说越容易得到正确的匹配）；这样一来当最小化损失时，越可能是特征点的部分他的特征就越准确，而不太可能是特征点的位置，特征不准确也影响不大。

3. 细节

  原始数据集是 MegaDepth，选出稀疏 SfM 点云重叠高于50%的作为图像对。每一对图像，通过深度信息将第二张图像的所有点投影到第一张图像中，并通过核查深度图去除遮挡的像素。
  训练的时候对每一对图像随机裁剪出一个以一个对应关系为中心的 $256\times 256$ 的区域，训练的 batch size 取1，并确保有至少128个对应关系。
  测试的时候修改了一些网络结构，让输出的特征图分辨率提高（输入图像的四分之一），从而得到更多的特征点，点的位置也会更准。

4. 个人总结

  D2-Net 所用的训练数据是利用深度信息获取像素级对应关系的图像对，这样便有足够的标签让网络的特征正确匹配。之后的问题就在于如何确定特征点的位置，这边的解决方案就是（参考传统算法）设计一套规则，在特征图上进行运算得到像素级的得分图。