LNR：通过学习邻域实现鲁棒多模型拟合

Sat, 14 Sep 2024 10:33:19 +0000

多结构并存下的最小集组合爆炸：为什么盲目随机选取几乎注定选错

在几何视觉与机器人建图中，多模型拟合（Multi-Model Fitting）要解决的是物理世界中最普遍的混叠现实：场景中往往同时存在数十个不同的几何图元（如多堵交错的墙面、多条道路边缘、多个运动物体的轨迹），且这些结构被淹没在海量的传感器噪声与未匹配外点之中。

在经典几何鲁棒估计中，求解一个基础几何模型只需要极其精简的离散数据点。这就是所谓的“最小样本集（Minimum Sample Set）”——例如在二维空间拟合一条直线只需要 $m=2$ 个点，在三维空间拟合一个平面需要 $m=3$ 个点，求解双视图基础矩阵需要 $m=8$ 对对应点。

如果沿用传统 RANSAC 的均匀随机采样策略，系统会假设每一次无偏抽取都有合理的概率命中正确内点。然而，一旦场景从“单模型”切换到“多模型交织”，这种盲目抽样的数学期望就会发生灾难性的指数坍缩：

设场景中存在 $K$ 个不同的真实结构，若盲目从全部观测中随机抽取两个点，这两个点要么分别属于两个完全无关的物理结构，要么其中至少有一个是环境野点。随着交叠结构的增多与外点率的上升，随机抽取的样本对“恰好全部落在同一个合法结构上”的几率微乎其微。每一组错误的最小采样集，却依然要耗费算力调用底层的代数求解器并执行全量几何残差打分。算力绝大部分都被白白浪费在这些先验即错的候选假设上，这是传统采样机制在多模型场景下的结构性瓶颈。

而如果采用贪心迭代剔除（例如 Sequential RANSAC 先拟合一个模型、剔除其内点再重新开始），又会陷入硬聚类的陷阱：现实中相邻结构往往在交界处共享观测，贪心剔除使得共享观测被前序模型独占，导致紧邻模型失去几何支撑而直接被漏检。

还有三条约束决定了我们最终的做法。方法必须在不知道模型数量的前提下工作，这就排除了一整类把模型数当作输入的方案。速度要能实用。最后，它得能迁移到别的任务，因为每换一个问题就要重新设计一遍的拟合器，算不上通用工具。

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学习只落在两个决策点上，其余仍是经典流程。

真正出问题的四件事

我们把问题拆成四种失效情形，方法的每个部件各回答其中一种。

第一，几何特征没有被充分利用。现有方法要么依赖人工设计的判据，只看得到几何信息的一部分；要么是神经网络，从头到尾没有显式地看过几何。

第二，噪声带来的低效优化。大量求解器调用，花在从一开始就没有希望的点集上。

第三，模型重叠。这是拟合一个模型与拟合多个模型的根本差别，而多数形式化描述连把它表达出来都做不到。

第四，流程不可微。离散的最小集采样和任务专用的最小求解器都处在流程中间，两者都没有梯度。想把基于学习的方法接进来，难就难在这里。仅有的两条绕行路线都不好用：拿可微的松弛替换精确求解器，等于把求解器弄丢了；改用策略梯度估计，就得接受方差。

已有方法没能解决的问题

贪心的单模型扩展带着上面说的硬归属问题。MultiRANSAC 每次迭代拟合 K 个模型而不是一个，这就要求 K 事先已知；K 一大，计算上就变得不划算，因为一次迭代里同时找出好几个好模型本身就很难。

迭代式假设生成是更精细的一类，共同的毛病是时间上的耦合。每个新模型都建立在前几轮的结果之上，随着流程推进，误差会沿着模型重叠处层层累积。我们自己的消融实验如实记录了这里的取舍：把更强的学习式采样器换进 LNR，精度上去了，整个过程也明显变慢。我们主动选了代价小的那一边，并且把代价写在论文里。

聚类式方法，包括偏好集聚类和把最小集判为有效或无效的网络，在各自针对的问题上表现不错，却没有考虑数据的复用。评估一个假设时得到的信息，不会带到另一个假设的评估里去。

还有一类方法用全局能量函数替换采样启发式，能量由几何误差和聚类规整项构成；也有人用归属能量的凸松弛，或者在超图上做模式搜索。这些形式化在构造上就能处理重叠，代价是所用代价函数足够复杂，复杂到未必能充分利用数据里真实存在的几何信息，迁移到多样而复杂的场景时效果因此受限。

利用并行计算的高效采样方法很强，但它们需要把实例数量当作先验，适用范围受限。

最后是端到端深度方法，精度不错，以黑箱方式工作。这对可靠部署来说是实打实的障碍，也正是我们不想造的东西。

在决策点上学习，以数据点为条件

我们的做法是把经典流程原封不动保留下来，只把学习放到真正做决策的地方：求解之前，决定哪些最小集值得占用一次求解器调用；求解之后，决定每个假设该往哪里动、它又有多好。

关键的设计选择是网络以什么为条件。所有被学习的量都是数据点几何特征的函数，与假设参数无关。正因如此，采样器和求解器才能留在流程里，在前向过程中作为不可微的黑箱存在，不需要任何梯度穿过它们。

这里需要说准确，因为很容易讲过头。求解器在训练中是参与了的：两个分类器的标签都来自把求解得到的假设与真值实例作比较，粗层的标签也来自对采样集合的求解。没有发生的事情，是穿过求解器或采样器反向求导。两者只走前向。

每个点先用 Fourier 特征映射提升空间频率的编码能力，再经过以逐点卷积实现的共享多层感知机，最后最大池化成全局描述子。逐点特征与全局特征拼接成 256 维向量，其中局部 128 维、全局 128 维，于是每个点既带着自己的局部几何，也带着对整个场景的一份概括。粗层模块需要这种整体视角；后来我们发现，细层模块并不需要。

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一个点可以同时为多个假设提供证据，重叠因此可以被表达。

求解之前先筛选

粗层模块随机抽取大量最小集，数量刻意取得偏多，以保证覆盖足够广，然后为每个集合预测一个置信度。只有得分最高的那些能走到求解器面前。

这里有两件事值得展开。第一，采样为什么一直保持随机，而没有变成迭代式。随机采样避开了迭代式生成器那种误差累积，也能保住对整个观测集合的覆盖。这是务实的折中，不是最优解，我们在文中也这么写了。

第二，置信度按二分类问题来训练，这意味着模块学会了挑选有希望的最小集，却不需要任何显式的退化检验。经典流程会写死若干检查来拒绝退化构型（degenerate configuration）；在这里，拒绝是从求解结果与真值的比较里学出来的。我们把一条手写规则换成了一条学出来的规则，好处在于它随数据改变，而不随写规则的人改变。

去掉粗层模块，性能掉得很明显，因为细层网络应付不了那样堆积起来的候选数量。分开预训练粗层、而不是两层联合训练，效果同样更差，原因正是整套训练设计里最有意思的地方。

用邻域判断一个假设

对每一个存活下来的假设，我们划出一块邻域（neighbor region）：在某个任务相关的距离度量下离它足够近的那些数据点。直线用欧氏距离，消失点用方向距离，平面用重投影误差，运动用归一化极线约束。邻域内的点先被编码，再把每个点到该假设的残差拼接到它自己的特征上，点数不足的邻域用零填充以便批处理，最后由两个头读取结果。

一个头预测的是增量，不是一个完整的模型。直线任务里，它预测两个端点各挪一点点；消失点、单应或者基础矩阵任务里，它预测一个对应的调整量，这个调整量直接加到粗层假设上。网络从不凭空造模型。核对并修正一个猜测，比从零生成一个要容易，所以生成交给经典求解器，修正交给网络。

另一个头预测评分。论文在这里的立场常常让人意外：一致性最大化并不偏向最好的那个模型。内点计数是衡量假设质量的标准代理指标，模型一旦重叠，它就是错的代理指标。取而代之的，是从假设周围的数据里学出评分。

邻域表征也是重叠之所以能被表达的原因。两条相交直线在交点附近共享一块邻域，那里的点同时落在两个邻域内部，为两个假设都提供证据。整个流程里没有任何地方做硬归属。

细层模块还刻意丢掉了粗层所依赖的全局上下文。细化单个假设时，局部细节更有用；全局信息会带进来许多无关细节，反而拖慢这件事。同一个特征在筛选时帮忙，在细化时添乱。这种不对称是一条可以复用的由粗到细原则，也说明两个模块不能简单看作同一个网络跑了两遍。

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细层依据假设周围的观测打分，而不是只看假设参数。

决定场景里有几个模型

打过分的假设是冗余的。好几个假设描述的是同一个结构，而答案里它只该出现一次。我们把目标检测里的非极大值抑制（non-maximum suppression, NMS）搬到这个场景，把交并比换成几何意义上的相似度：直线看端点距离和夹角，消失点看高斯球面上的邻近程度，单应和基础矩阵则看逐点距离向量之间的相似度。

决定场景里有多少个模型的，也是这套机制。模型数量是抑制过程的输出，而不是方法的输入，这正是我们一开始就想要的效果。

两个模块如何互相训练

三个损失。粗层置信度和细层评分都用二元交叉熵，标签由候选与真值实例的相似度导出。细化头用 Smooth L1 目标函数监督参数增量。

需要解释的是两层之间的耦合。细层的损失会回传到粗层模块，于是选择器学到的是优先挑那些细层能处理得动的假设，而不只是去匹配一个预先定好的标签。两个模块共享编码后的邻域特征，梯度通路就是靠这一点存在的。联合训练优于预训练粗层，原因在于细层的信号重新定义了粗层眼里什么算好。

消融实验里还有一条我们事先没想到的观察。只用更难的场景训练，也就是画面里直线更多的那种，效果与用简单场景训练持平，甚至更好。我们把它归因于数据变化更大，起到了正则化的作用。用来对照的基线采样器上，同样的效应也出现了，只是弱一些。

我们从中得到什么

让学习和不可微部件解耦，靠的是换掉网络的条件，而不是把它们变可微。这份克制是本文方法上最强的表态，也正是精确求解器得以保留的原因。

选择器要对下游的兼容性负责，而不是只对着自己的代理标签优化。预训练会丢掉联合训练能保住的信息。

一致性不等于质量。模型重叠的时候，内点计数是错的度量；把它当成对的，模型就会被少算。

一个特征的价值取决于它出现在哪个阶段。全局上下文对筛选有利，对细化有害。

还要把多实例做进结构里。如果接口规定每个点只能进一个模型，那么无论怎么训练，都表达不了两个。

它假设了什么

两个分类器需要真值实例作为监督。在没有真值模型的领域里表现如何，我们没有刻画。

邻域半径和采样预算是任务相关的量，除了说它们会随任务变化，我们没给出设定办法；抑制阈值同样没有写出来。

跨任务迁移意味着要重新推导四个任务相关的部件：邻域的距离度量、求解器、细化的参数化方式，以及抑制时的相似度。这些是针对每个任务的实际工程工作，我们不宣称零样本迁移。

面对长度不一的邻域，零填充是我们唯一的办法；点很少的邻域会不会因此被稀释，我们没有考察。

随机采样是折中，不是最优。我们自己的消融显示，更强的采样器能提高精度；而一个便宜的学习式采样器能否两头兼顾，我们没有给出答案。

为什么保留两段式流程

保留既有的两段式策略，理由很具体：可解释性。数值方法天生可解释，适用范围也界定得清楚，缺点在于难以充分利用数据的几何特征。端到端深度方法表现很好，却说不清自己是怎么得到结果的。

LNR 保留了流程，输出就是显式的几何模型。网络接受通用的无序点集，图像对应、三维点云和像素坐标都包含在内；损失作用在几何特征上，而不作用在假设上。正是这一点，让它能和各种各样的求解器与采样过程兼容，可微与否都不影响。

我们给自己定的目标刻意不高。希望它为用学习的方式处理多模型拟合带来一点新想法；比起一个精度说不清来由的方法，我们更愿意要一个行为经得起追问的方法。

多模型拟合 | 聂畅

LNR：通过学习邻域实现鲁棒多模型拟合

多结构并存下的最小集组合爆炸：为什么盲目随机选取几乎注定选错

真正出问题的四件事

已有方法没能解决的问题

在决策点上学习，以数据点为条件

求解之前先筛选

用邻域判断一个假设

决定场景里有几个模型

两个模块如何互相训练

我们从中得到什么

它假设了什么

为什么保留两段式流程