一種用于自監(jiān)督單目深度估計(jì)的輕量級(jí)CNN和Transformer架構(gòu)

摘要

大家好，今天為大家?guī)?lái)的文章:Lite-Mono:A Lightweight CNN and Transformer Architecture for Self-Supervised Monocular Depth Estimation 自監(jiān)督單目深度估計(jì)不需要地面實(shí)況訓(xùn)練，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。

設(shè)計(jì)輕量級(jí)但有效的模型非常有意義，這樣它們就可以部署在邊緣設(shè)備上。許多現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)受益于以模型大小為代價(jià)使用更重的主干。

在本文中，我們實(shí)現(xiàn)了與輕量級(jí)ar結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，我們研究了cnn和transformer的有效結(jié)合，并設(shè)計(jì)了一個(gè)混合架構(gòu)Lite-Mono。提出了連續(xù)擴(kuò)展卷積(CDC)模塊和局部全局特征交互(LGFI)模塊。

前者用于提取豐富的多尺度局部特征，后者利用自注意機(jī)制將長(zhǎng)范圍的全局信息編碼到特征中。實(shí)驗(yàn)證明，我們的完整模型在精度上優(yōu)于Monodepth2，可訓(xùn)練參數(shù)減少了80%左右。



圖1 我們的完整模型Lite-Mono的參數(shù)比Monodepth2[15]和R-MSFM[44]少，但生成的深度圖更準(zhǔn)確。

主要工作與貢獻(xiàn)

綜上所述，我們的貢獻(xiàn)如下:

我們提出了一種新的輕量級(jí)架構(gòu)，稱為L(zhǎng)ite-Mono，用于自監(jiān)督單目深度估計(jì)。我們證明了它的有效性與模型大小和FLOPs

與競(jìng)爭(zhēng)較大的模型相比，所提出的架構(gòu)在KITTI[13]數(shù)據(jù)集上顯示出更高的精度。它用最少的可訓(xùn)練參數(shù)達(dá)到了最先進(jìn)的水平。在Make3D[31]數(shù)據(jù)集上進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的泛化能力。為了驗(yàn)證不同設(shè)計(jì)方案的有效性，還進(jìn)行了額外的消融實(shí)驗(yàn)

在Nvidia Titan XP和Jetson Xavier平臺(tái)上測(cè)試了該方法的推理時(shí)間，驗(yàn)證了該方法在模型復(fù)雜度和推理速度之間的良好平衡。

算法流程

1.總體結(jié)構(gòu)

多篇論文證明，一個(gè)好的編碼器可以提取更多有效的特征，從而改善最終結(jié)果[15,17,42]。本文著重設(shè)計(jì)了一種輕量級(jí)編碼器，可以對(duì)輸入圖像中的有效特征進(jìn)行編碼。圖2顯示了建議的體系結(jié)構(gòu)。它由一個(gè)編解碼器DepthNet(章節(jié)3.2)和一個(gè)PoseNet(章節(jié)3.3)組成。DepthNet估計(jì)輸入圖像的多尺度反深度圖，PoseNet估計(jì)兩個(gè)相鄰幀之間的相機(jī)運(yùn)動(dòng)。然后生成重建目標(biāo)圖像，計(jì)算損失以優(yōu)化模型(章節(jié)3.4)。

增強(qiáng)局部特特征：使用較淺的網(wǎng)絡(luò)而不是較深的網(wǎng)絡(luò)可以有效地減小模型的大小。如前所述，淺層cnn的接受野非常有限，而使用擴(kuò)張卷積[41]有助于擴(kuò)大接受野。通過(guò)疊加提出的連續(xù)擴(kuò)張卷積(CDC)，網(wǎng)絡(luò)能夠在更大的區(qū)域“觀察”輸入，同時(shí)不引入額外的訓(xùn)練參數(shù)。



圖2 擬議的Lite-Mono概述。我們的Lite-Mono有一個(gè)用于深度預(yù)測(cè)的編碼器-解碼器DepthNet，以及一個(gè)常用的PoseNet[15,44]來(lái)估計(jì)相鄰單目幀之間的姿勢(shì)。深度網(wǎng)絡(luò)的編碼器由四個(gè)階段組成，我們提出使用連續(xù)擴(kuò)張卷積(CDC)模塊和局部全局特征交互(LGFI)模塊來(lái)提取豐富的層次特征。這些模塊的詳細(xì)信息如圖3所示。

低計(jì)算量的全局信息：增強(qiáng)的局部特征不足以在沒(méi)有Transform的幫助下學(xué)習(xí)輸入的全局表示來(lái)建模遠(yuǎn)程信息。原Transformer[8]中的MHSA模塊的計(jì)算復(fù)雜度與輸入維數(shù)呈線性關(guān)系，因此限制了輕量化模型的設(shè)計(jì)。局部全局特征交互(Local-Global Features Interaction, LGFI)模塊采用跨協(xié)方差注意力[1]來(lái)計(jì)算沿特征通道的注意力，而不是跨空間維度計(jì)算注意力



圖3 所提出的連續(xù)擴(kuò)展卷積(CDC)模塊和局部全局特征交互(LGFI)模塊的結(jié)構(gòu)。在每個(gè)階段，不同擴(kuò)張速率的CDC模塊重復(fù)N次。

2.DepthNet

2.1 編碼器

深度編碼器。Lite-Mono在四個(gè)階段聚合了多尺度特征。大小為H ×W ×3的輸入圖像首先被輸入到卷積干中，在那里圖像被3 ×3卷積向下采樣。接下來(lái)進(jìn)行兩個(gè)額外的3個(gè)×3卷積(stride =1)進(jìn)行局部特征提取，我們得到大小為H2 ×W2 ×C1的特征映射。

在第二階段，將特征與池化后的三通道輸入圖像進(jìn)行拼接，再使用stride =2的3 ×3卷積對(duì)特征圖進(jìn)行下采樣，得到大小為H 4 H 4 ×W4 ×C2的特征圖。在下采樣層中，將特征與平均池化的輸入圖像進(jìn)行拼接，可以減少特征尺寸減小所造成的空間信息損失，這是受到ESPNetv2[3]的啟發(fā)。然后，我們使用提出的連續(xù)擴(kuò)張卷積(CDC)模塊和局部-全局特征交互(LGFI)模塊來(lái)學(xué)習(xí)豐富的分層特征表示。

2.2 連續(xù)擴(kuò)張卷積(CDC

連續(xù)擴(kuò)張卷積(CDC)。提出的CDC模塊利用擴(kuò)張卷積提取多尺度局部特征。不同于只在網(wǎng)絡(luò)的最后一層使用并行擴(kuò)張卷積模塊[6]，我們?cè)诿總€(gè)階段插入幾個(gè)連續(xù)的不同擴(kuò)張速率的擴(kuò)張卷積，以實(shí)現(xiàn)足夠的多尺度上下文聚合。



2.3局部全局特征交互(LGFI)

給定一個(gè)維度為H的輸入特征映射X ×W ×C，我們可以將其投影到相同維度的查詢Q =XWq，鍵K =XWk，值V =XWv，其中Wq、Wk和Wv是權(quán)重矩陣。我們使用交叉協(xié)方差注意[1]來(lái)增強(qiáng)輸入X:



2.4 解碼器

不同于使用復(fù)雜的上采樣方法[44]或引入額外的注意模塊[3]，我們使用了從[15]改編而來(lái)的深度解碼器。作為 如圖2所示，它使用雙線性上采樣來(lái)增加空間維度，并使用卷積層來(lái)連接編碼器的三個(gè)階段的特征。每個(gè)向上采樣塊跟隨一個(gè)預(yù)測(cè)頭，分別以全分辨率、12分辨率和14分辨率輸出逆深度圖。



圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
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表1我們的模型與KITTI基準(zhǔn)上使用特征分割[9]的一些最近的代表性方法的比較。除非另有說(shuō)明，否則所有輸入圖像都將調(diào)整為640 ×192。最佳和次優(yōu)結(jié)果分別用粗體和下劃線突出顯示?！盡”:KITTI單目視頻，“M+Se”:單目視頻+語(yǔ)義分割，“*”:輸入分辨率1024 ×320，“My”:未經(jīng)ImageNet預(yù)訓(xùn)練[7]。



圖4 KITTI的定性結(jié)果。我們分別展示了Monodepth2 [15]，R-MSFM3 [44]，R-MSFM6 [44]，Lite-Mono-small(我們的)和Lite-Mono(我們的)生成的一些深度圖。Monodepth2和R-MSFM的接受域有限，因此它們的深度預(yù)測(cè)有些不準(zhǔn)確。相反，我們的模型可以產(chǎn)生更好的結(jié)果



圖5 Make3D數(shù)據(jù)集上的定性結(jié)果。我們比較Monodepth2[15]和R-MSFM[44]。我們的模型可以感知不同大小的物體 圖3KITTI數(shù)據(jù)集上的DRAFT預(yù)測(cè)示例。從(a)輸入的RGB圖像中，我們顯示(b)光流估計(jì)，(c)深度估計(jì)，和(d)從深度和場(chǎng)景流估計(jì)中預(yù)測(cè)的光流 。





審核編輯：劉清