Magic Leap最新论文：迈向几何型深度 SLAM

选自arXiv

机器之心编译

参与：Smith

本篇文章把两个 SLAM（同步定位与地图构建）子任务作为机器学习问题，研发出了两个简单的数据生成器，用几百行代码就可以实现，设计了两个可以实时运行的简单的卷积神经网络，并且在人工合成数据和真实数据上都对它们进行了评估。

论文链接：https://arxiv.org/abs/1707.07410

摘要：我们提出了一种由两个卷积神经网络驱动的点追踪系统（point tracking system）。第一个网络，MagicPoint，对单一图像进行操作，并且提取最重要的二维点。被提取的点是“SLAM-ready”的 ，因为它们是被分离设计，而且在图像中是均匀分布的。我们把此种神经网络与经典的点探测器（point detectors）进行了比较，并且通过图像噪点发现了它们之间显著的性能表现差距。由于当被检测点具有几何稳定性时，转化估计（transformation estimation ）是很简单的，因此我们设计了第二个网络，MagicWarp，它作用几幅点态图像（MagicPoint的输出）上，而且会对与输入相关的单应矩阵（homography）进行估计。这一转换引擎与传统方法不同，因为它并没有使用局部点描述器（local point descriptors），只使用了点定位（point locations）。两个网络都是用简单的人工数据进行训练的，减少了对昂贵的外置摄像实况和高级图形渲染渠道的需求。这一系统是快速且精益的，可以很轻松的在单一 CPU 上以 30+ FPS 的状态运行。

深度点基础追踪（Deep Point-Based Tracking）概况：

深度点基础追踪系统如图1 所示。在此追踪系统中，两个卷积神经网络是计算过程中的主力军：MagicPoint 和 MagicWarp 。

图 1：深度点基础追踪概况。几幅图像会被 MagicPoint 卷积神经网络进行处理，此网络会在图像中检测最重要的转角（corner）。随后生成的点态图像会被 MagicWarp （另一个卷积神经网络）一起进行处理，以计算出一个与点态输入图像中的点相关的单应矩阵（homography）H 。

MagicPoint 概况：

图 2 ：MagicPoint 架构。MagicPoint 网络作用于灰度图像，并且对没一个像素输出一个「点」（point-ness）概率。我们使用了一个 VGG 样式的编码器和一个显式解码器。每一个在最后得到的 15x20x65 张量上的空间位置都代表了一个本地 8x8 区域的概率分布，和一个单一的“垃圾”通道（表示没有检测到点）。此网络是使用一个标准交叉熵损失（cross entropy loss）来进行训练的，也使用了二维图形渲染器的点态监督（见图 3）。

图 3：人工图形数据集。人工图形数据集包括渲染后的三角形，四边形，线，立方体，棋盘格，还有星星，每一个都带有实况转角定位（ground truth corner locations）。它也包括一些没有真实转角的负像（negative images），比如椭圆和随机噪声图像。

MagicWarp 概况：

图 4：MagicWarp 架构。几幅二进制点图像连接在一起，然后输入进一个标准化 VGG 类型的编码器。3x3 单应矩阵 H 通过一个全连层进行输出。随后，H 被标准化（normalized），以保证其右下角元素是 1。已知从一张图像到另一张图像的对应关系，用弯曲点（warping points）对损失进行计算，并且测量它们和相应真实值之间的距离。

图 5：MagicWarp 数据生成。为了生成二维点集对（2D point set pairs），我们为三维几何体创建了三维点云图，并且在简易三维轨迹的限制下把它们渲染进了虚拟摄像机。

MagicPoint 网络的部分评测结果：

表 1：人工图形的相关结果。人工图形数据集中10 种类别图像的平均准确率（mAP，越高越好）和平均定位误差（MLE，越低越好）。注意 MagicPointL 和 MagicPointS 在一定程度上不会受到图像噪点的影响。

图 6：噪点类型对合成图形的影响。探测器性能会被噪点破坏。对传统探测器来说，斑点噪声（Speckle noise）尤其难以处理。

图 7: 30个静态转角的数据集。我们在30个静态转角的数据集中的真实转角位置的边沿，对每一序列的样帧进行了展示。这些序列来自四个不同的种类：棋盘格，分离的转角，立方体，以及正方形。

表 2：静态转角结果。30个真实数据序列的平均准确率（mAP，越高越好），平均定位误差（MLE，越低越好）和重复率（R，越高越好）。

MagicWarp 网络的部分评测结果：

表 3：匹配算法的 90% 击穿点实验。这张表格比较了 MagicWarp 和最近邻（Nearest Neighbor）匹配方法的匹配能力。

图 8：工作中的 MagicWarp。四种转换类型的 MagicWarp 实例在表 3 中有所总结。最左边的一列展示了覆盖在一个单一图像上的点态图像输入对（point image input pair）。最右边的一列展示了应用在灰色点集上的 MagicWarp 原始预测单应矩阵。中间的一行展示的是 原始预测单应矩阵应用最近邻方法所得到的 MagicWarp 结果，对正确的点的箭头进行捕捉。

图 9：工作中的 MagicPoint。这张图展示了MagicPointS 与传统转角检测基准的 15个实例结果。我们对每一张图都展示了 MagicPointS 输出，输出概率热图，覆盖对数（概率）热图（使低概率提高），还有 FAST，Harris，和 Shi 的相应情况。最顶行的一些实例是来自没有噪声的30个静态转角。中间的实例也来自没有噪声的30个静态转角。最底层的实例来自没有噪声的合成图形。注意，我们的方法能够处理大量的噪声，并且能生成富有意义的热图，可以用一种特定应用的方式来开启。