Point-MVSNet（Point-Based Multi-View Stereo Network）

基本信息

项目 内容
论文标题 Learning Patch-Wise Matching Confidence Aggregation for Multi-View Stereo
作者 Rui Chen、Songfang Han、Jing Xu、Hao Su
作者单位 Tsinghua University（清华大学）
时间 2019
发表会议/期刊

方法概览

特点 文章性质
输入 多视角
输出 参考视角深度图
所属领域 MVS

1. 摘要精简

提出一种新颖的基于点云的深度多视图立体匹配（MVS）框架 Point-MVSNet，区别于传统代价体方法，直接以点云作为场景表示，采用 “粗到精” 的流程实现 3D 重建。首先生成粗深度图并转换为点云，再通过创新的 PointFlow 模块，融合 3D 几何先验与多视图 2D 纹理信息，迭代预测每个点的深度残差，逐步优化得到精确密集的点云。该方法在精度、计算效率和灵活性上优于代价体基方法，在 DTU 和 Tanks and Temples 数据集上实现了 SOTA 重建效果，源代码和训练模型已开源（https://github.com/callmeray/PointMVSNet）。

2. 研究动机与出发点

现有基于学习的 MVS 方法多依赖 3D CNN 处理固定分辨率的代价体，存在内存消耗随分辨率立方增长的瓶颈；虽有方法通过八叉树结构优化，但仍存在量化伪影和误差累积问题。此外，传统方法需处理整个 3D 空间，计算冗余且难以灵活适配局部区域细化需求（如机器人视觉交互场景）。因此，本文提出以点云为核心表示的框架，利用点云天然保留表面连续性、仅聚焦物体表面有效信息的优势，解决 3D CNN 的效率与精度矛盾，同时提供更高的灵活性。

3. 创新点

  1. 采用点云作为场景核心表示，避免固定分辨率代价体的内存瓶颈，自然保留表面结构连续性，提升高精度重建能力；
  2. 提出 PointFlow 模块，通过迭代预测深度残差（类似 ResNet 的残差学习）优化点云位置，动态适配场景几何；
  3. 设计点假设生成策略，沿参考相机方向生成多组假设点，捕捉不同深度的邻域特征与几何关系，辅助深度残差预测；
  4. 动态特征提取机制，结合多尺度图像特征金字塔与 3D 点坐标，根据迭代更新的点位置自适应提取多视图特征，聚焦感兴趣区域；
  5. 支持 “聚焦深度推断”（foveated depth inference），可仅对感兴趣区域（ROI）进行细化，大幅节省计算资源，适配特定应用场景。

4. 网络架构构成

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网络分为两大核心步骤，整体为 “粗预测 - 迭代细化” 结构：

  1. 粗深度预测：采用简化版 MVSNet 生成低分辨率粗深度图，该阶段特征图尺寸为原图 1/8，虚拟深度平面数量更少，深度平面数：训练时48，评估时96，内存消耗仅为 MVSNet 的 1/20；用多尺度 3D CNN 对低分辨率代价体进行简单正则化，再通过soft argmin操作（与 MVSNet 一致），回归得到参考图I0的粗深度图D(0)。随后根据相机内参和外参，将粗深度图反投影为初始点云。
  2. 迭代深度细化：包含 2D-3D 特征提升和 PointFlow 模块两部分。首先通过特征金字塔提取多尺度图像特征，再通过动态特征提取将 2D 纹理与 3D 点坐标融合为增强特征；PointFlow 模块基于增强特征迭代预测深度残差，每次迭代对深度图上采样并减小假设点的深度间隔，逐步提升分辨率和精度。

6. 迭代深度细化PointFlow module

迭代细化中的多尺度图像特征金字塔构建

图像特征金字塔构建：对每张输入图像，采用 stride=2 的 2D 卷积进行下采样，提取下采样前的三层特征 Fi=[Fi1,Fi2,Fi3]\mathbf{F}_i = [\mathbf{F}_i^1, \mathbf{F}_i^2, \mathbf{F}_i^3]，所有输入图像共享该金字塔结构，以获取多尺度上下文信息。

动态特征获取（Dynamic Feature Fetching）

针对当前迭代的点云P(i)P_(i)（含反投影点p和点假设pkp_k），为每个点动态提取多视图特征：

  • 可微反投影：根据点的 3D 坐标和相机参数，将点投影到各视图的特征金字塔上，因不同尺度特征图分辨率不同，需对相机内参做对应缩放；
  • 多视图特征聚合：用方差代价 metric 聚合多视图特征（避免单视图遮挡 / 噪声影响），对金字塔第j层，方差计算为：对每个3D点 Xp\mathbf{X}_p，从多视图特征金字塔中提取特征计算特征方差作为代价度量：Cj=∑i=1N(Fij−Fj‾)2N\mathbf{C}^j = \frac{\sum_{i=1}^{N}(\mathbf{F}_i^j - \overline{\mathbf{F}^j})^2}{N},FjF_j为多视图第 j 层特征的均值
  • 特征增强：将聚合后的 3 尺度外观特征与归一化的 3D 点坐标拼接，得到最终的点增强特征作为 PointFlow 模块的输入。

Cp=concat[Cpj,Xp],j=1,2,3Cp=concat[Cp1,Cp2,Cp3,Xp]\mathbf{C}_p = \text{concat}[\mathbf{C}_p^j, \mathbf{X}_p],\quad j=1,2,3\\ \mathbf{C}_p =\text{concat}[\mathbf{C}_p^1,\mathbf{C}_p^2,\mathbf{C}_p^3, \mathbf{X}_p]

点假设生成（Point Hypotheses）

过 “点假设生成→边缘卷积→深度残差计算”3 步，实现点云精度提升：

因 2D 图像特征无法直接反映 3D 空间邻近关系，沿参考相机方向（归一化方向t）为每个反投影点p生成2m+1个 “假设点”（m=2，共 5 个）对于每个3D点 p\mathbf{p}，沿相机方向生成候选点：

p~k=p+kst,k=−m,…,m\mathbf{\tilde{p}}_k = \mathbf{p} + ks\mathbf{t},\quad k=-m,\dots,m

其中：t\mathbf{t}：归一化相机方向。ss：深度间隔（随迭代减小每轮迭代减小：第 1 轮 8mm，第 2 轮 4mm，第 3 轮 0.8mm）。mm：假设点数量（通常为2）

边缘卷积（Edge Convolution）图神经网络处理

为利用 3D 局部几何关系，对 “特征增强点云”Cp（含反投影点和假设点）构建k 近邻（kNN）有向图（k=16），通过边缘卷积聚合邻域特征，对每个点假设 p~k\mathbf{\tilde{p}}_k，寻找k近邻点（k=16）,构建有向图用于特征传播，公式为：

EdgeConv特征聚合

Cp~′=□q∈kNN(p~)hΘ(Cp~, Cp~−Cq)\mathbf{C}_{\tilde{p}}^{'} = \underset{q\in k\text{NN}(\tilde{p})}{\square} h_{\Theta}(\mathbf{C}_{\tilde{p}},\ \mathbf{C}_{\tilde{p}}-\mathbf{C}_q)

hΘ为可学习非线性函数（MLP）同时考虑中心点特征和相对几何关系

□\square 为对称聚合操作（支持最大池化 / 平均池化，性能相近）；

Cp−Cq是关键：捕捉中心店p与邻域点q的几何差异，确保聚合的是 “3D 空间邻近” 的特征（区别于 MVSNet 的 “2D 图像邻近”）。

深度残差预测

用 3 层 EdgeConv 提取多尺度邻域特征，通过 shortcut 连接融合所有 EdgeConv 输出，再用共享 MLP 将特征转换为 “假设点概率”（softmax 归一化），最终通过 “概率加权和” 计算点p的深度残差ΔdpΔd_p：

对每个原始点 p\mathbf{p} 的所有假设点 p~k{\mathbf{\tilde{p}}_k}通过MLP计算每个假设点的概率 Prob(p~k)\text{Prob}(\mathbf{\tilde{p}}_k)，然后就可以深度残差计算

Δdp=∑k=−mmks×Prob(p~k)\Delta d_p = \sum_{k=-m}^{m} ks \times \text{Prob}(\mathbf{\tilde{p}}_k)加权求和得到每个点的深度位移

步骤5：迭代更新

  1. 深度图更新D(i+1)=D(i)+ΔD\mathbf{D}^{(i+1)} = \mathbf{D}^{(i)} + \Delta\mathbf{D}

  2. 然后使用最近邻上采样提高深度图分辨率，减小深度间隔 ss 以捕捉更精细细节（第 1 轮 160×120→320×240，第 2 轮→640×480）；

  3. 通常进行2-3次迭代，每次迭代：分辨率加倍，深度间隔减半

7. 代价体正则化

  • 在粗深度预测阶段使用3D CNN对代价体进行正则化，回归初始深度图。
  • 在PointFlow中，使用EdgeConv对点云进行局部特征聚合，替代传统的3D CNN正则化。

8. 深度图生成

  • 初始深度图由粗预测网络生成。

  • 通过PointFlow模块迭代优化：

    • 点云反投影：将当前深度图（粗预测或前一次细化结果）根据相机参数反投影为 3D 点云；

    • 深度残差预测：PointFlow 模块通过点增强特征，预测每个点沿参考相机方向的深度残差Δdp，计算方式为Δdp=∑k=−mmks×Prob(pk)Δd_p=∑_{k=−m}^mks×P_{rob}(p_k)，其中pkp_k为点假设，s为位移步长，Prob(pk)P_{rob}(p_k)为假设点的概率权重（通过 softmax 输出）；

    • 深度图更新：将残差Δdp叠加到当前深度图，得到更新后的深度图，同时对深度图上采样，减小下一轮迭代中假设点的深度间隔；

    • 最终融合：经过多轮迭代后，融合所有视图的预测深度图，生成最终的密集点云。

    • 生成点假设：沿相机方向生成多个假设点

      p~k=p+kst,k=−m,…,m\mathbf{\tilde{p}}_k = \mathbf{p} + ks\mathbf{t},\quad k=-m,\dots,m

    • 使用EdgeConv聚合局部特征，预测每个点的深度残差：

      Δdp=∑k=−mmks×Prob(p~k)\Delta d_p = \sum_{k=-m}^{m} ks \times \text{Prob}(\mathbf{\tilde{p}}_k)

    • 每次迭代后上采样深度图并减小深度间隔 ss，逐步提升分辨率与精度。

9. 损失函数

使用 L1L_1 损失，对所有迭代阶段的深度图进行监督：

PvalidP_{valid}为有效地面真值（GT）像素集；

l为迭代次数；

D(i)(p)D^{(i)}(p)为第 i 次迭代的预测深度，DGT(p)D_{GT}(p)为对应 GT 深度；

λ(i)λ(i)为损失权重（训练时设为 1.0）；

s(i)s(i)为缩放因子，用于平衡不同迭代步骤的损失贡献。

Loss=∑i=0l(λ(i)s(i)∑p∈Pvalid∥DGT(p)−D(i)(p)∥1)Loss = \sum_{i=0}^{l} \left( \frac{\lambda^{(i)}}{s^{(i)}} \sum_{p \in \mathbf{P}_{\text{valid}}} \left\| \mathbf{D}_{\text{GT}}(p) - \mathbf{D}^{(i)}(p) \right\|_1 \right)

10. 测试数据集

  • 主要测试数据集：DTU 数据集，包含 124 个场景，7 种光照条件，49 或 64 个拍摄位置，分为训练集、验证集和评估集，用于量化和定性性能评估；
  • 泛化性测试数据集：Tanks and Temples 数据集（intermediate 子集），为大型户外复杂场景数据集，用于验证模型在真实复杂环境中的泛化能力。

11. 消融实验

  1. 边缘卷积（EDGE）：替换为无几何感知的特征聚合（仅使用邻域点特征Cq），重建精度和完整性显著下降，验证几何关系建模的重要性；
  2. 欧氏最近邻分组（EUCNN）：替换为图像空间邻域分组（相邻像素对应点），因遮挡导致特征聚合无关信息，性能下降；
  3. 特征金字塔（PYR）：仅使用单层特征而非金字塔，多尺度上下文信息缺失，性能明显下降；
  4. 点假设数量（m）：测试 m=1、2、3 三种情况，m=2 时完整性和整体质量最优；
  5. 输入视图数量（N）：测试 N=2、3、5 三种情况，视图数量越多，重建质量越好，符合 MVS 基本规律；
  6. kNN 搜索优化：验证限制 kNN 搜索范围（仅在k×k×(2m+1)邻域内搜索）的有效性，降低O(N2)的计算开销，同时保证性能。

12. 其他创新点

  • foveated深度推断：支持仅对感兴趣区域进行高分辨率重建，节省计算资源。
  • 泛化能力强：在Tanks and Temples数据集上提升明显，ff-score 从43.48提升至48.27。
  • 内存与速度优势：相比MVSNet，在相同分辨率下内存更小，支持更高分辨率输出。
  • 对初始深度图噪声的鲁棒性：在初始深度图添加≤6mm 的高斯噪声时，重建误差增长缓慢且优于 MVSNet，说明迭代细化机制可抵消部分初始噪声影响；
  • 点云上采样优势：相比 PU-Net 等传统点云上采样方法，通过融合多视图图像信息，重建精度（Acc. 0.361mm vs 1.220mm）和完整性（Comp. 0.421mm vs 0.667mm）大幅提升；
  • 灵活的分辨率与效率权衡：通过调整迭代次数，可在不同深度图分辨率（160×120 至 640×480）、GPU 内存消耗（7219MB 至 8731MB）和运行时间（0.34s 至 3.35s）之间灵活权衡，适配不同应用场景。