?PaperWeekly?·?作者｜葛藝瀟

學(xué)校｜香港中文大學(xué)博士生

研究方向｜圖像檢索、圖像生成等

本文介紹一篇我們發(fā)表于 ECCV 2020 的論文，很榮幸該論文被收錄為 spotlight presentation。我們針對大規(guī)模圖像定位中的弱監(jiān)督問題提出有效的解決方法，旨在通過自監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法充分挖掘表征學(xué)習(xí)中的難樣本，并進一步將圖像級監(jiān)督細粒化為區(qū)域級監(jiān)督，以更好地建模圖像與區(qū)域間的復(fù)雜關(guān)系。

利用該算法訓(xùn)練的模型具有較強的魯棒性和泛化性，在多個圖像定位數(shù)據(jù)集上進行了驗證，Recall@1 準確度大幅超越最先進技術(shù)高達 5.7%，代碼和模型均已公開。

論文標題：Self-supervising Fine-grained Region Similarities for Large-scale Image Localization

論文來源：ECCV 2020

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2006.03926

代碼鏈接：https://github.com/yxgeee/OpenIBL

項目主頁：https://geyixiao.com/projects/sfrs

視頻介紹（簡要版）：https://www.bilibili.com/video/BV1Y54y1q7CL/

視頻介紹（完整版）：https://www.bilibili.com/video/BV1Da4y1E79q

背景簡介

圖像定位

給定一張目標圖像，圖像定位（Image-based Localization）技術(shù)旨在不借助 GPS 等額外信息的情況下估計出圖像所在的地理位置，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于 SLAM、AR/VR、手機拍照定位等場景。

目前針對圖像定位的研究主要可以分為三個方向，分別為基于圖像檢索的、基于 2D-3D 匹配的和基于地理位置分類的算法。其中基于圖像檢索（Image Retrieval）的方案在大規(guī)模（Large-scale）的長期圖像定位（Long-term Localization）上可行性更高，所以該工作針對基于圖像檢索的定位問題展開了研究。

基于圖像檢索的圖像定位

基于檢索的圖像定位問題旨在通過從城市級規(guī)模的數(shù)據(jù)庫中識別出與目標圖像最相似的參考圖像，從而通過參考圖像的地理位置（GPS）來估計目標圖像的地理位置。基于檢索的圖像定位問題也被稱為地點識別（Place Recognition）。

挑戰(zhàn) #1

圖像定位的數(shù)據(jù)集目前主要主要分為兩種，一種是直接從街景地圖（谷歌街景圖、百度街景圖等）中對圖像和相應(yīng)的 GPS 標簽進行爬取，這種類型的數(shù)據(jù)集無需人為標注，零成本，易于收集和進行規(guī)模提升；另一種是具有 6DoF 相機位姿的數(shù)據(jù)集，該類數(shù)據(jù)集通常通過自動駕駛車進行收集，收集成本較高。該工作以前者為基準開展研究，即在僅有 GPS 標簽的情況下進行基于檢索的圖像定位算法研究。

圖像檢索的關(guān)鍵在于如何學(xué)習(xí)到具有辨別性的圖像特征，而在模型的訓(xùn)練中往往都需要有正樣本和負樣本。具體來說，模型需要學(xué)習(xí)讓目標圖像的特征靠近正樣本而遠離負樣本。在僅有 GP S的圖像定位數(shù)據(jù)集中，我們可以首先通過 GPS 進行篩選，比如 GPS 相距 10m 以內(nèi)的圖像為潛在正樣本（Potential Positives）。

但是，如下圖所示，當?shù)乩砦恢蒙陷^近（GPS 較近）的圖像在面向不同方向時，并不會拍攝到同樣的場景，所以僅靠 GPS 進行過濾的潛在正樣本中仍然具有很多假性正樣本（False Positives）。所以在模型訓(xùn)練中，這被定義為一個弱監(jiān)督學(xué)習(xí)問題。

以前的方法

如果在訓(xùn)練中讓目標圖像靠近假的正樣本，會導(dǎo)致嚴重的誤差放大，乃至模型崩潰。所以，如下圖所示，現(xiàn)有的訓(xùn)練算法 [2, 3] 讓目標圖像靠近潛在正樣本中特征距離最近的圖像，也被稱為 top-1/最相似圖像。

雖然這樣的方法可以有效減少假性正樣本出現(xiàn)的概率，但是，讓模型學(xué)習(xí)靠近已經(jīng)是最相似（也就是最簡單）的正樣本，會使得訓(xùn)練的模型缺乏適應(yīng)多種條件（光照、角度等等）的能力，降低模型的魯棒性。

動機

我們認為，困難的正樣本（Difficult Positives）在表征學(xué)習(xí)中不可缺少。但是，簡單地使用 top-k 圖像（這里 top-k 指的是利用特征距離進行排序后的 top-k 數(shù)據(jù)庫圖像）作為正樣本進行學(xué)習(xí)具有較大的噪聲。

如下圖所示，top-k 的圖像中無法避免地包含一些假性正樣本，在對比實驗中我們也發(fā)現(xiàn)，簡單地采用 top-k 圖像進行訓(xùn)練，結(jié)果還不如上述只學(xué)習(xí) top-1 的現(xiàn)有方法。所以，問題的關(guān)鍵在于，如何合理地使用 top-k 圖像，在挖掘困難正樣本的同時，減輕假性正樣本對模型訓(xùn)練帶來的干擾。

解決方法

我們提出利用目標圖像與數(shù)據(jù)庫圖像之間的相似性作為軟標簽對模型訓(xùn)練進行監(jiān)督。具體來說，對于假性正樣本，或具有較小重疊區(qū)域的正樣本，我們希望設(shè)置較小的相似性標簽；而針對與目標圖像重疊區(qū)域較大的正樣本，我們希望設(shè)置較大的相似性標簽。這樣的話，在相似性標簽的監(jiān)督下，模型可以模擬出目標圖像與不同匹配圖像之間距離關(guān)系，從而有針對性地進行表征學(xué)習(xí)。

那么，如何獲得相似性標簽?zāi)?#xff1f;直接通過當前模型的數(shù)據(jù)進行預(yù)測是不可行的，這就類似于自己站在自己的腳上，既沒有夠到更高的區(qū)域，反而會站不穩(wěn)（導(dǎo)致誤差放大）。所以，我們提出，通過迭代訓(xùn)練（Training in Generations）的方案，將第一代模型的輸出作為第二代模型的監(jiān)督，以此類推。

請注意，這里的“代”指的是一個模型從初始化訓(xùn)練到收斂的整個過程。如下圖所示，第一代模型通過與現(xiàn)有算法一致的方案進行訓(xùn)練，訓(xùn)練收斂后，建立并初始化第二代模型，并使用固定的第一代模型進行相似度標簽的估計，用以訓(xùn)練第二代模型。預(yù)測的相似度標簽準確性和模型的辨別性隨著訓(xùn)練的迭代不斷更新和提升，從而形成自監(jiān)督的過程。

迭代訓(xùn)練的思路與自蒸餾（Self-distillation）的算法 [4, 5] 比較相關(guān)，不同的是，自蒸餾的算法主要針對分類問題，對具有固定類別數(shù)目的分類預(yù)測值進行蒸餾，而我們成功地將迭代訓(xùn)練的思路應(yīng)用于圖像檢索問題，在表征學(xué)習(xí)的過程中利用我們提出的相似性標簽進行信息迭代。具體公式在這里就不做展示了，感興趣的同學(xué)可以查閱原論文。

挑戰(zhàn) #2

問題與動機

上文，我們討論了如何合理地挖掘困難正樣本，并減輕假性正樣本對訓(xùn)練造成的干擾。但是，我們發(fā)現(xiàn)，即使是真的正樣本，與目標圖像之間仍然存在不重疊的區(qū)域，該區(qū)域在困難正樣本中尤為顯著。

如下圖左邊所示，只使用圖像級的監(jiān)督會使得目標圖像與正樣本圖像的所有局部特征都趨向于相似，這樣的監(jiān)督會損害局部特征的辨別性學(xué)習(xí)。所以，我們提出，理想的監(jiān)督應(yīng)當為區(qū)域級的監(jiān)督，如下圖右邊所示，讓正樣本中的正區(qū)域（Positive Regions）靠近目標圖像，而負區(qū)域（Negative Regions）遠離目標圖像。

解決方法

為了實現(xiàn)區(qū)域級的監(jiān)督，我們將匹配的正樣本分解為 4 個二分之一區(qū)域和 4 個四分之一區(qū)域，并將圖像-圖像間的相似性監(jiān)督細粒化為圖像-區(qū)域間的相似性監(jiān)督，以上文中所述迭代訓(xùn)練的方式進行學(xué)習(xí)。具體來說，第一代模型所預(yù)測的圖像-區(qū)域的相似性標簽用于監(jiān)督第二代模型的圖像-區(qū)域?qū)W習(xí)。

實驗結(jié)果

下圖是實驗結(jié)果，我們的模型只在一個數(shù)據(jù)集（Pitts30k-train）上進行了訓(xùn)練，可以很好地泛化到不同的測試集上，例如在 Tokyo 24/7 和 Pitts250k-test 上均取得了最先進的精度。其中，Tokyo 24/7 數(shù)據(jù)集難度最大，因為圖像的光照、角度、拍攝裝置等條件都具有很強的多樣性，我們在 Recall@1 準確度上超出此前最先進的 SARE 算法（發(fā)表于 ICCV’19）5.7% 個點。

上圖中的模型及訓(xùn)練測試代碼均已開源。同時，我們還開源了基于 PyTorch 的 NetVLAD [2] 和 SARE [3] 復(fù)現(xiàn)（官方代碼基于 MatConvNet），方便大家后續(xù)的研究與開發(fā)，歡迎大家 watch/star/fork。

參考文獻

[1] Y. Ge, et al. Self-supervising Fine-grained Region Similarities for Large-scale Image Localization. ECCV, 2020.?

[2] R. Arandjelovic, et al. NetVLAD: CNN architecture for weakly supervised place recognition. CVPR, 2016.?

[3] L. Liu, et al. Stochastic Attraction-Repulsion Embedding for Large Scale Image Localization. ICCV, 2019.?

[4] T. Furlanello, et al. Born Again Neural Networks. ICML, 2018.?

[5] Q. Xie, et al. Self-training with noisy student improves imagenet classification. CVPR, 2020.

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的ECCV 2020 Spotlight | 图像定位上的细粒化区域相似性自监督的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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