蓝色的点表示观测到的变量,就是像素值。粉色的点表示隐藏变量,就是disparity。通常隐藏变量叫做label。node之间的link表示dependency,比如中间粉色的点只跟周围四个点和上面的蓝色的点有关。这个某点只跟周围点有关的假设就是Markov假设。这个假设使我们能够高效的求解隐藏变量。
如果用MRF来表达stereo vision,它的energy function就是
Y表示观测变量,X表示隐藏变量。i是pixel的index,j是xi相邻的node。给定一个图像Y和一些label X,这个能量方程求得了每个link的cost的和。我们的目标是找到一个label X,比如disparity map,使得这个能量方程最小化。接下来我们分开来看data cost和smoothness cost。
Datacost主要指把label xi赋值给data yi造成的cost。对于正确的匹配,datacost很低。对错误的匹配datacost就很高。常用的衡量datacost的有差值绝对值的和,SSD等。
Smoothness cost确保相邻像素有相同的label。我们需要一个函数来惩罚相邻像素有不同label的情况。常用的函数有如下几种
Loopy Belief Propagation
因为图像中有很多像素,disparity value也有很多可能,所以很难找到MRF的精确解。LBP提供了一种方法来寻找近似解,类似的方法还有graph cut, ICM.不过LBP不保证convergence。
LBP是中用来传输信息的方法,当一个node收到了所有信息的时候,它就发给相邻node一个信息。下图展示了从x1传送到x2的过程。
x1首先需要从A,B,C,D接收到信息,然后才会给x2传输信息。x2不会返回给x1信息。准确来说信息的定义是
,表示从node i发送label l的信息给node j。换言之就是node i对node j属于label l的belief。这些信息只在隐藏变量之间传递。一个完整的信息包含所有可能的label。比如node i会给node j发送如下信息
hey node j,我认为你是label 0,概率是s0
hey node j,我认为你是label 1,概率是s1
。。。
Node i记载了所有关于node j的可能性。概率的计算取决于MRF。
LBP的第一步是初始化信息。因为node要等到所有相邻node都发送信息,这就变成了一个鸡生蛋蛋生鸡的问题,因为所有node都会等待其他node发送信息,实际上谁也没有发送任何东西。为了解决这个问题,我们把所有信息都初始化成一个常数,通常是0或1.
LBP主体算法是iterative的。如同其他iterative的算法,我们可以在一定循环次数后结束,或者到energy的变化小于一个阈值。在每个iteration,信息在MRF中传递。信息传递的次序是随机的。一旦这个过程结束,我们就可以根据每个node的belief计算这个node的label。
接下来我们一个个来看信息更新,初始化,和belief的步骤,和三个不同算法sum product,max product, min sum。
用于信息更新的sum product
![msg_{i \rightarrow j}\left( l \right) = \sum\limits_{l' \in \mbox{all labels}} \left[ \begin{array}{c} exp\left(-DataCost\left(y_i,l'\right)\right) exp\left(-SmoothnessCost\left(l,l'\right)\right) \times \\ \prod\limits_{k=\left( \begin{array}{c} \mbox{neighbours of i} \\ \mbox{except j} \end{array} \right)} msg_{k\rightarrow i}\left(l'\right) \end{array} \right] msg_{i \rightarrow j}\left( l \right) = \sum\limits_{l' \in \mbox{all labels}} \left[ \begin{array}{c} exp\left(-DataCost\left(y_i,l'\right)\right) exp\left(-SmoothnessCost\left(l,l'\right)\right) \times \\ \prod\limits_{k=\left( \begin{array}{c} \mbox{neighbours of i} \\ \mbox{except j} \end{array} \right)} msg_{k\rightarrow i}\left(l'\right) \end{array} \right]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_um5gia7kdzzEDBp2dODRjqcP0She4PMTU1sqnMu7-1WDanoKA2IycvQCE5kL6jWfjMBV6X_i1aUbq7AQk4yD-11MGYrPtK9Gf4bTIfOrVI64EyDcp2QBpFvp2QONSFDL8VZCYj7GfwZ6Vs-MJQMqTrrvDM6UBt7gNxcSKetUylGj9dlaZFeuq2z0gQX0Kf3_Z9zi4EpV-__Otph1PHz1j5VNJJmWEBDkl1xU4lFqjRSDaHewmAgN8XOaGw5FxVsu3ssIgMQtkbNIj6B7RTvO06269GUxlsYVWqvDDVRWGTeMHpKdf0cuw2oA2-EJd7XH0chIcIlTxrvl2T4fPv5Mqbj37uv3hQ3qjI-bVjKuJQqefo6QFxo_s_lNYpn7SQciHFsirjhT3RiemTJo3hIOAZUj2b30dfhF5O7X_-B64c-hvjkhL4wHuOEHiji58q8AjQvxxvW9uLTeX8ktv2kqSWmUuPbcDd_Vs6e5SYFSiCcA4WghrqlOYwnJU3pm6KAUEMTrY5AqXhTmVQS1dEmgPnJDrNbFzQhhbvuk59B9k-7SvSppoB4mYbb2D0Pn9eZBdkSUm_7MWin5jYpPR88Vhuae8zBwPR4wNr4ELH9sX2pfWAq1MMwTUxI0ozk5dSX3fp9VqI6HTABc8JQcAyrjHU2WI3sgqRDp3aeBd5UfYDoBz056vJyqy00GF19tLu0UVzotrSEwUSb4Nh5vgpTl0E8dNvWtDLW9F7qGqI-l6egiAfXOjOhskautUQfETawl9PgM58eucmgSIDskir=s0-d)
等式左边表示从node i发到node j,关于label l的信息。右边的y表示图像像素。这里我们遍历所有的label,在disparity map中共有15种。因为有加和,内积的计算,所以叫sum product。这个算法用于概率的计算,所以要用exp函数把data cost, smoothness cost,转换到在0到1之间的概率,这个概率越大越好。在中括号里面的是data cost, smoothness cost对于label l的所有信息的joint probability. 中括号外面的加和是对概率在变量l上的marginalization.
一个完整的信息是一个矢量
![msg_{i \rightarrow j}=\left[ \begin{array}{c} msg_{i \rightarrow j}\left(0\right)\\ msg_{i \rightarrow j}\left(1\right)\\ msg_{i \rightarrow j}\left(2\right)\\{..} \end{array} \right] msg_{i \rightarrow j}=\left[ \begin{array}{c} msg_{i \rightarrow j}\left(0\right)\\ msg_{i \rightarrow j}\left(1\right)\\ msg_{i \rightarrow j}\left(2\right)\\{..} \end{array} \right]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_sdIfjSIfeAKlfkYpBLLA-93wSzhFbwB9qaLp2f1xBxQJcmxz7boaiEMKwcj5PHRMqgASBtKlC58UC6xozJ6drv1jXBK8HaM9i39jZ3YZr9DPXApyErAQabqz-XaHXdDHGViAxaVAPlagtH5MTBNjJEEue7IHcmo3T2UjqjwSf3KDmEU0B-Vv9rbIJ68hj6NEj2ucVCagAnLIYaHSiyqvOf-VE2511vKFTJKKvtFfw0jqbQy5GZN11jvbbRWAZFbSVXmhe-sloVxoGJnyox8yIPjksJSVXE1JsyLnNpG0k1VGSTs-krvtdJu1kGBCiraYhgZXcYn9E5GMxfGTif3NrjZtlO1pUHabrzXx2QE1DM8NjctfOQqQBrZazQ5GzYE7I8qwKIhTPMZo1mDZxWl5XW8pEL7bbraD59IXXaitxphlOTcKh0fN4SAtho2zo1WUjxY8Thy6wHMxg_ghgDpgUN7EU=s0-d)
所以对于每个label都要遍历所有可能,复杂度就是O(L^2).
连续对概率做乘积的时候,很快就会接近0.为了避免这个情况,我们要把信息向量normalize

进行初始化的时候,所有信息的概率都设为1.每个node的belief是所有信息的乘积。

这是node i对于label l的belief。为了找到最合适的label,需要遍历所有label然后找到最高的belief。
用于信息更新的max product
sum product可以找到每个node的最佳label。但是总体来说并不一定是最优解。举例来说,假设有两个变量x,y
表格外边的是变量的marginal。如果用单独的marginal计算,我们会选择x=1, y = 0,得到P(x=1,y=0) = 0.4。但是最佳的解是p(x=0,y=0) = 0.5。我们最关心的是Joint probability。此类问题经常会在maximum a posteriori (MAP)求解中出现,因为这时我们想找到全局的最优解。max product在sum product的基础上做了一点点改变
![msg_{i \rightarrow j}\left( l \right) = \max\limits_{l' \in \mbox{all labels}} \left[ \begin{array}{c} exp\left(-DataCost\left(y_i,l'\right)\right) exp\left(-SmoothnessCost\left(l,l'\right)\right) \times \\ \prod\limits_{k=\left(\begin{array}{c} \mbox{neighours of i} \\ \mbox{except j} \end{array} \right)} msg_{k\rightarrow i}\left(l'\right) \end{array} \right] msg_{i \rightarrow j}\left( l \right) = \max\limits_{l' \in \mbox{all labels}} \left[ \begin{array}{c} exp\left(-DataCost\left(y_i,l'\right)\right) exp\left(-SmoothnessCost\left(l,l'\right)\right) \times \\ \prod\limits_{k=\left(\begin{array}{c} \mbox{neighours of i} \\ \mbox{except j} \end{array} \right)} msg_{k\rightarrow i}\left(l'\right) \end{array} \right]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vlqIQZ88U9oPVBAMweS0q01da9oEbpf8YTW6H2BMCNgxKGKurvkz7tCNqAmO9W0tqZG40GI-Qn9IQt-6P-fnvccQ2UhsqzM2DGPtfsgQEV3YU44JRh4jxFKr13-vt6369tl8we7mhpaSFBtpQAYhsVphn066J2G6UtRhjW7JebiiCtiahUGaxvKCW8_00g8ySljFF0pMk9sor0HROD0zQ-WMX2AjpWEBFQt6fgMsLioWyydxwJ0sFrtWGek2fOC_HJwXXt11WQa0LGEq4coyryY_yktTLdPRljEedZSkAUBUfYPSCF59-M2hNj3IEsjOWSitL2tS5-mVYAiSAkZQgFOXa20fkei10eUpmJ4GfzruFmnsdeuVZcncLYj2_J93GCZC9yehvzIRYDTA1VrnXFPuQt3ufjpwm4BejRRSRyJ077AOdsrtKgJSXl5nW3X3F3bXyM_2i6FeOLLY9XCWKUXTMMErTiulcOVqf8u1qxwz_CFrT5sIjg4so3cpu9gHCME1KwQCG9018j-I_MnS2oVSD-_KM3j-1JF2qpHbJ_e8J3BKH7Q13eyniqU83XRYO9v7z5qIELxIPL0LjpIZBQ0-pUg5bUjTtV6yusv4FL5e-izqYZgAU8oSWDueXDDlzM79175V9oim2b2mOdHU66v0-WZ98zs1S8o5_dkaoIXOP7Og6YNhB8uKvD-8kaQUeu9NVPufRPV_LGxp1HUceISmfpf9h0LNiDWwHfz_fZbsHEajj6NZLbicC4pUWWv1xROM1XsbQUWmSw=s0-d)
现在不再求和,而是计算marginal probability的最大值。
用来更新信息的min sum
和max sum相似,min sum也是计算每个node的max marginal,不过是在log space中。
![msg_{i \rightarrow j}\left( l \right) = \min\limits_{l' \in \mbox{all labels}} \left[ \begin{array}{c} DataCost\left(y_i,l'\right) + SmoothnessCost\left(l,l'\right) + \\ \sum\limits_{k=\mbox{neighours of i except j}} msg_{k\rightarrow i}\left(l'\right) \end{array} \right] msg_{i \rightarrow j}\left( l \right) = \min\limits_{l' \in \mbox{all labels}} \left[ \begin{array}{c} DataCost\left(y_i,l'\right) + SmoothnessCost\left(l,l'\right) + \\ \sum\limits_{k=\mbox{neighours of i except j}} msg_{k\rightarrow i}\left(l'\right) \end{array} \right]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_tTaH4MenaZI5epJyMhmpv3b5gM6SS-xBpmvm6es1omJu1L20pLmZMJiYFSOFKjqznvEBVRUhzvkA-h3FKTyOzaJ7uuCSu34ode3j155HKwBYYay-cWcOdcT_wm2FcSK8McBiYmenRfus1j3nUGdUl5ZF-WqTTMDyGrQyVDgQCHJhVWLMf0AocyV5QgaQDSx4uKJM9yjieCkj_MK-JzSWmYSDtaIbSVxRM6_dVqXYMOHEoKuCrumQwiEVgyYbhiY_cijaNXyW9IarM5cB1PLjusi4QqfRM6AmpesUwySTpyP51tqy8zxK37UY_fkW9exGDf1aqatK2PVaHd-hZJoa_cK9XdYXqTwd1lboxF6mnA7owPiifXfjHMbstBlUFb8h3U_7fD-9Zy3NUUnwOUYLkTH-qF1nlHgUHVDZc1Y1lWS2xg0WT-Blxt4aGM0KnnTeHaksrFK8JrWG0KuukW4YRqvy4tYW5WfZ7aztCz3IOrg0eWgM47UXD3M8d8Q4C9vbrRxIAGLdwViNS6pjg2kT8TH9DYUFlRaBjikrG9wD9SyAuwRcKveAsy0oFjKhw9V-kTGNKnl7CddulBnqXrfokwktcYIl8SBW5Fz-iZ=s0-d)
这是个求解最小值的问题。在初始化的时候所有的数值都是0. 这时的belief是
用于信息更新的sum product
等式左边表示从node i发到node j,关于label l的信息。右边的y表示图像像素。这里我们遍历所有的label,在disparity map中共有15种。因为有加和,内积的计算,所以叫sum product。这个算法用于概率的计算,所以要用exp函数把data cost, smoothness cost,转换到在0到1之间的概率,这个概率越大越好。在中括号里面的是data cost, smoothness cost对于label l的所有信息的joint probability. 中括号外面的加和是对概率在变量l上的marginalization.
一个完整的信息是一个矢量
所以对于每个label都要遍历所有可能,复杂度就是O(L^2).
连续对概率做乘积的时候,很快就会接近0.为了避免这个情况,我们要把信息向量normalize
进行初始化的时候,所有信息的概率都设为1.每个node的belief是所有信息的乘积。
这是node i对于label l的belief。为了找到最合适的label,需要遍历所有label然后找到最高的belief。
用于信息更新的max product
sum product可以找到每个node的最佳label。但是总体来说并不一定是最优解。举例来说,假设有两个变量x,y
| P(x,y) | x=0 | x=1 | |
| y=0 | 0.5 | 0.4 | P(y=0) = 0.9 |
| y=1 | 0.1 | 0.3 | P(y=1) = 0.4 |
| P(x=0) = 0.6 | P(x=1) = 0.7 |
现在不再求和,而是计算marginal probability的最大值。
用来更新信息的min sum
和max sum相似,min sum也是计算每个node的max marginal,不过是在log space中。
这是个求解最小值的问题。在初始化的时候所有的数值都是0. 这时的belief是
不过因为我们其实在找最小值,称它为cost更合适。
在这些方法中,min sum是最方便实现的,它没有exp函数,只有加和。如果用sum product的话,就要在exp里面加上scaling来避免underflow。eg. exp(-DataCost(…)*scaling) * exp(-SmoothnessCost(..)*scaling), scaling是 0 到1之间的数.
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