NIPS 2018(oral)：通过端到端几何推理发现潜在3D关键点

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来源：论智

编者按：关键点检测是许多计算机视觉任务的基础，如人脸识别、动作检测和自动驾驶等。而在这届NIPS上，来自Google AI的Supasorn Suwajanakorn等人带来了关于3D关键点检测的一种新方法：端到端几何推理。如果你没听说过这位一作的名字，没关系，你一定见过SIGGRAPH 2017上震惊世界的奥巴马造假视频，在那篇论文中，他也是一作。

摘要

本文提出KeypointNet，这是一个端到端的几何推理框架，可用于学习一组优化类3D关键点，并对它们进行检测。给定单个图像，KeypointNet能针对下游任务提取优化关键点集。我们通过提出一个可微的对象来展示这个关于3D姿态估计的框架，它的目的是恢复同一对象两个视图（2D）之间相对姿势的最佳关键点集，跨视角、跨类发现几何和语义一致的关键点。

重要的是，我们发现这种方法不需要任何基于ground-truth的关键点注释标记，在使用同一神经网络架构的情况下，它的效果优于完全监督基线。关于汽车、椅子和飞机等对象的3D关键点可视化，请看keypointnet.github.io。

简介

卷积神经网络（CNN）的研究已经证实，特征提取和分类管道的联合优化可以显著提升网络的对象识别性能。但话虽如此，目前一些解决几何视觉问题的方法，比如3D重建和shape alignment，它们都包含一个单独的关键点检测模块，在检测结果上再运用几何推理。在本文中，我们探讨了一个问题，即能否构建一个端到端的几何推理模型，把关键点直接联合优化为下游任务的一组潜在变量。

请设想这么一个例子：图像中汽车的3D姿势问题。按照常规做法，我们应该先检测所有关键点，然后在几何推理框架内应用这些点，恢复汽车的3D姿势或某个角度的视图。实现这一点的手段有很多，比如手动注释关键点，然后进行监督学习，也可以开发一组关键点检测器，尽管这容易出错。

但这种方法成本太高了，而且关键点的选择也缺乏一致性和明确性。为了获得更合理的关键点集，我们应该根据下游任务的需要，直接优化下游任务需要的关键点，从中获取独特性、易于检测和多样性等目标关键点属性。

KeypointNet的效果

首先，我们来看看KeypointNet的具体效果，下面是“飞机”的关键点预测情况，可以关注最后一行，尤其是最后两个。它们的机翼朝向难辨，因此关键点总是变动：

下面是“汽车”：

模型的整体预测效果很好，但请注意最后一行。其中第二辆车是黑色的，和背景颜色一致，这显然影响了KeypointNet的预测效果；而第三辆车之所以也会出现关键点变动，是因为它的车头和车尾太相似了，让模型感到迷惑。

上图是用不同数量的关键点[3,5,8,10,15,20]训练网络的结果，可以发现网络最先找到的关键点在飞机头部和机翼，随着数量增加，KeypointNet跟踪的部分更多（颜色是独立的，和预测结果无关）。

以上都是简单旋转的预测结果，那么如果目标对象是个可形变的物体，KeypointNet的稳健性会如何？

如这些动图所示，图中汽车会动态扭曲，但还能保持原有形状。对于这类目标，KeypointNet预测的关键点还是很稳定，效果也很好。

最后，也是最重要的，生成、检测关键点的作用是用于人脸识别、姿态估计等任务，那么KeypointNet在现实场景下是否也有上述效果：

上图右侧是成功预测关键点的示例，右侧是失败案例。总体而言，这个模型在大多数正常汽车图像上表现出色，但它很难处理自带广角畸变的图像、花纹复杂的汽车和包含镜面高光的图像。

端到端优化3D关键点

这一节是对KeypointNet的概述。

给定已知对象类别中的单个图像，这个模型可利用像素坐标和相关联的深度值，预测并生成3D关键点的有序列表。这些关键点需要在几何上和语义上保持一致，如下图所示，即便是外形不同的椅子，KeypointNet始终可以使用相同的关键点，而且它们不会随视角变化发生变动，也能预测被遮挡的部分（椅子后腿）。

KeypointNet有N个头，因此可以提取N个关键点，同一个头在提取关键点时主要参考语义是否一致。

和完全监督学习方法相比，这种做法没有事先定义关键点位置，相反地，它专注于训练时的相对姿态估计，也就是对于同一目标的两个2D不同视图（变换T），找到图一中的关键点P1和它在图二中的对应关键点P2，用这两个点构建3D关键点列表。如下图所示：

在训练期间，同一对象的两个视图被作为KeypointNet的输入，已知视图变换T=(R, t)，P1和P2是一致关键点，可以从中提取3D关键点

把两个关键点合并成一个3D关键点的目标函数是O(P1, P2)，有了它，我们就能可以从图像到关键点列表的参数映射。这个目标函数由两大关键构成：

▪ 多视图一致性损失，用于在已知转换T的情况下，衡量两组点之间的差异。

▪ 相对姿态估计损失，用于惩罚真实旋转R和P1、P2校正的旋转Rˆ之间的差异。

实验证明，它们能帮模型发现重要的关键点，其中有一些甚至和人工特别手动标注的点一致。需要注意的是，这些具有语义意义的关键点不会被直接优化，可以它们对于下游任务可能不是最佳的。

论文地址：arxiv.org/pdf/1807.03146.pdf

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