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1、Monodepth 的背景和动机
1.1、背景
在计算机视觉里，“深度”（Depth）指的是场景中物体距离相机的远近。 想象你用手机拍一张街景照片：虽然照片是二维的，但我们人类能直观感受到哪些车更近、哪些建筑更远。这是因为我们的大脑利用了各种视觉线索，比如 大小对比（远处车看起来更小）、遮挡关系（近处的东西挡住远处）、阴影和光照等。
对于机器来说，理解深度也非常重要，特别是在以下场景中：
自动驾驶：汽车要知道行人、车辆与自己的距离；
机器人：机械臂需要估计物体深度来完成抓取；
AR/VR：虚拟物体需要准确插入现实世界场景中；
1.2、传统做法的挑战
历史上，获取深度的方法主要有两类：
硬件测量：比如用激光雷达（LiDAR）直接打点测距。 缺点是昂贵、笨重，并且在复杂场景下精度有限。
多视角方法：比如用双目相机（像人眼）或者多张不同角度的照片，通过几何计算得到深度。
用一个通俗的比喻来解释“双目相机/多视角几何计算得到深度”的过程
为什么需要两只眼睛？
想象一下你用一只眼睛看世界，东西是“平”的，很难判断远近。打开两只眼睛，你就能感受到深度。这是因为左右眼看到的画面略有差别（比如近处的物体在左眼画面里偏左，在右眼画面里偏右）。

核心原理：视差
这种左右画面的差别叫 “视差”。 举个例子：

把手指放在眼前，然后左右眼轮流闭眼。你会发现手指相对背景位置“跳来跳去”。
跳动的大小就是视差。越近的物体跳得越厉害，越远的物体几乎不跳。
所以，物体的距离可以通过视差来推算。

几何计算的过程（通俗版）
用相机来说就是：

已知：两台相机的相对位置（“基线长度”，就像两只眼睛之间的距离）。
拍摄：得到两张略有差别的照片。
找点：在两张照片里，找到同一个物体上的点（比如同一只小猫的鼻子）。
测视差：看这个点在左图和右图里的水平位置差了多少。
套公式：根据三角形几何关系，用公式算出深度（距离相机多远）。
但这需要 多台相机 或者 视频序列，而且必须校准严格。
在深度学习兴起后，有人尝试直接训练神经网络，从单张图像里预测深度。但这类方法通常需要 大量真实的深度标注数据（图像+精确的深度值），而这些数据获取起来极为困难。 比如要训练一个自动驾驶模型，需要为成千上万张街景图片提供精确的像素级深度信息，这在现实中几乎不可行。

1.3、Monodepth 的动机
作者提出了一个新想法：
能不能只用普通的双目相机拍摄的左右图像，而不需要昂贵的激光雷达深度标注，就让模型学会预测单张图像的深度？

关键点在于：

从左图生成右图（或者反过来）其实本质上就是“图像重建”问题；
如果模型能成功做到这一点，说明它学会了图像里“远近关系”的规律，也就是深度。
当说“从左图生成右图（或反过来）是图像重建”时，意思是：

如果模型只看了一张眼睛的图（比如左眼），就能把另一只眼睛应该看到的图（右眼）画出来。
这等于它在脑子里“重建”了场景的三维结构。
为什么这说明模型学会了深度？
因为要把左眼图变成右眼图，它必须知道：

哪些物体离得近（要偏移很多）
哪些物体离得远（偏移很少）
这正是 远近关系/深度 的规律。 所以，如果模型能做到双目图的互相生成，就说明它已经“看懂了深度”。

👉 用更简单的比喻：

就像你闭上一只眼睛，如果你能凭经验想象另一只眼睛看到的画面，说明你其实已经理解了物体在空间里的远近位置。

因此，Monodepth 的核心动机就是： 👉 把深度预测转化为图像重建问题，用双目图像训练，让模型学会单目深度估计，而无需真实深度标注。

1.4、打个形象的比喻
你可以把 Monodepth 想象成一个 “学画” 的过程：
老师给它看一张左眼拍的照片（左图），要求它凭想象画出右眼应该看到的画面（右图）。
如果它画得像模像样，说明它理解了哪些东西近、哪些远。
久而久之，它学会了在只看一张图时，也能脑补出场景的三维结构。
这就是 Monodepth 想要解决的核心问题： 让机器像人一样，从单眼图像里“看出”立体感。

1.5、Monodepth 的核心思想
Monodepth 的关键点就是： 利用双目相机的左右图像，把“深度估计”转化为“图像重建”问题。
具体来说：
输入：一张左图像（或者右图像）；
预测：模型输出这张图的每个像素的“视差图”（disparity map）；
视差可以理解为“两个眼睛看到的同一个点的水平偏移量”；
视差和深度成反比：物体越近，偏移越大；物体越远，偏移越小。
重建：通过预测的视差，把左图“挪动”一下，生成右图；或者反过来。
监督：拿生成的图像和真实的右图（相机拍的）比较，差异越小，说明模型越好。
👉 总结一下：模型通过图像重建的准确性，来间接学习深度信息，而完全不需要激光雷达的深度标注。
2、Monodepth 的最大创新点
1、如果要用一句话概括：
Monodepth 最大的创新点，就是把“单目深度估计”转化为一个“无监督的图像重建问题”，并引入左右一致性约束来提升几何精度。
左右一致性约束是啥？
单靠上面的“图像重建”可能会有歧义：

某些纹理少或重复的地方（比如白墙、天空），网络可能随便预测一个深度，也能凑合把图像对齐。
这样得到的深度会很不稳定。
所以作者引入了一个额外的约束：

既然我能从 左图预测深度（得到左→右的视差），
也能从 右图预测深度（得到右→左的视差），
那么这两个视差应该是互相一致的。
举个例子：

假设左图里某个像素通过预测视差，落在右图的某个位置。
那么从右图预测的视差，再“跳回”左图时，应该能回到原来的位置。
如果跳不回去，就说明预测的深度不合理。
这就是 左右一致性约束（Left-Right Consistency Constraint）。

2、三种策略
你站在马路边，用 左眼 和 右眼 各拍了一张照片。现在你的任务是： 👉 只给 AI 一张照片（比如左眼图），让它学会“补出另一只眼睛看到的画面”。
这个过程中就有三种策略（对应图里的三列）：
image.png
图中共同元素先认一下
Input：底部红/蓝框，分别是左图 Il与右图 Ir（双目相机拍的一对校正图像）。
CNN：紫色“沙漏”，输入图像经编码器-解码器得到视差图（绿色框 d）。视差越大表示物体越近。
Sampler：橙色带 ⊗ 的模块，是双线性采样器（来自 STN），用“视差”去从源图采样来生成目标图，形成可微的反向映射（backward warping）。
Output / Target：输出是重建的图 I~，与真实的目标图 I 做外观匹配损失（像素 L1 + SSIM）；还会加视差平滑损失与（如果有）左右一致性损失

Naïve（天真的方法）
做法：AI 看左眼照片，直接尝试画出右眼的样子。
问题：它画出来的右眼图看上去还行，但其实它心里想的是“右眼坐标系”，跟左眼输入没完全对齐。
形象比喻：就像一个学生照着别人的画来临摹，但没对准纸，画偏了，位置坐标全乱了。
后果：AI 在训练时好像表现不错，但一旦只给它一只眼（左图）去预测深度，就会乱套，没法直接用。
No LR（没有左右一致性）
做法：这次换个角度，AI 不再直接画右眼，而是用左眼图去推测深度，再从右眼图里“拼”出左眼。
优点：这样学到的结果至少和左眼输入对齐了（坐标对上了）。
问题：但 AI 有时候会“投机取巧”——比如马路边有个柱子，右眼其实看不到后面的墙，它还是硬生生把纹理“抹上去”，导致画面出现拉花或鬼影。
形象比喻：学生画画时不会的地方就“瞎补”，结果边界模糊、图像歪掉。
Ours（论文的方法）
做法：论文的方法最聪明：
AI 只看左眼照片，但它一次性要画出两份深度——既要能合成右眼画面，也要能合成回左眼画面。
左右两份预测还要互相对照，必须匹配上，否则会被惩罚。
优点：这样一来，AI 不光要让画看起来像，还要保证左右两张画在空间上对得上。
形象比喻：就像画立体画的学生，老师要求：
“你得同时画出左眼和右眼的透视图”；
“而且这两张画必须对得上号”。 这样学生就不能再瞎蒙，而是必须真正理解物体的远近关系。
总结一句话
Naïve：图像坐标对不上，预测不能用。
No LR：坐标对上了，但容易瞎补出错。
Ours：双眼互相监督，既对齐又一致，学到真正的立体几何。

3、Monodepth 的网络结构与损失函数设计

1. 编码器（左边绿色方块） → 相当于眼睛的大脑前端
   输入：一张单目照片（左眼图像或者右眼图像）。
   功能：就像人类大脑的“初级视觉皮层”，把照片里的各种边缘、颜色、纹理等特征提取出来。
   输出：一个大“特征图”，大小是 H × W × D。
   H、W → 图像的高和宽（但可能被缩小过）。
   D → 特征维度，表示每个像素位置上提取了多少“特征描述”（比如 64 种特征）。
   👉 通俗理解：编码器把一张照片，变成了“包含很多隐藏信息的特征版照片”。
2. 解码器（中间紫色方块们） → 相当于大脑在猜“物体有多远”
   功能：接收编码器提取的特征，再一步步“还原”空间细节。
   输出：预测的 视差图（disparity map）。
   紫色方块就是解码器预测的结果：
   dˡ：左图的视差
   dʳ：右图的视差
   👉 通俗理解：解码器就像是在看照片后，尝试给每个像素点一个“远近标签”（近的视差大，远的视差小）。
   👉 为什么要同时预测左和右？
   因为这样才能互相对照，保证预测合理（这就是“左右一致性约束”的基础）。
3. 重建与监督（右边彩色部分） → 相当于自我检查：我预测的远近对不对？
   橙色方块：采样 / 重建模块。
   原理：把预测的视差当作“桥”，去另一张图像里找对应像素，并“重建”出目标图。
   工具：这里用的是 双线性采样器（Sampler, 来自 STN），它能平滑地采样，并且过程是“可微”的（这样误差能反传回去训练）。
   彩色部分的输出：
   生成的“重建图” Ĩ（网络预测出来的）。
   与真实图 I 对比，计算损失（误差），包括：
   外观匹配损失 (L1 + SSIM) → 看图像重建得像不像。
   视差平滑损失 → 让深度预测不要乱跳。
   左右一致性损失 → 保证 dˡ 和 dʳ 的预测对得上。
   👉 通俗理解：
   网络先猜“物体远近”，再用这个猜测去“拼出另一只眼睛的画面”。
   如果拼得像，就说明猜得对；如果拼得不像，网络就要调整自己。

4、外观匹配损失 Cap
图的左上角标注了三种关键损失函数，每种损失对应一种直觉约束：
直觉：合成的图要和真实图“看起来一样”。
image.png
实现方式：用像素差 (L1) + 结构相似度指标 (SSIM)。
L1 损失（像素差）
含义：就是 逐像素对比两张图的亮度差异。
公式上：L1 = |I_real − I_recon|
举例：
如果真实图某个像素亮度是 100，重建图预测出来是 90，那误差就是 10。
这种误差会被累积起来，形成整体的 L1 损失。
👉 直观理解：L1 就像“对位对表”，看每个像素值差多少。它要求重建图和原图在颜色上尽量接近。
SSIM（结构相似度指标, Structural Similarity Index）
含义：不是单纯看像素差，而是从更高层次的结构、对比度、纹理来比较两张图。
范围：0 ~ 1，越接近 1 说明越相似。
优势：
有些地方亮度稍有偏差，但整体的边缘、形状还在，这时候 L1 可能给出很大惩罚，而 SSIM 能“容忍”这种小偏差。
它更关注“这两张图的结构是不是一致”。
👉 直观理解：SSIM 更像人眼在判断两张图片是不是“看起来一样”，而不是死板逐像素比较。
为什么要 L1 + SSIM 一起用？
L1：保证像素级别的准确。
SSIM：保证整体结构和感知效果。
两者结合，既严格要求像素相近，又能确保图像结构不跑偏。
👉 就像老师批改作业：
L1 是逐字对答案（扣字面分）。
SSIM 是看整体意思对不对（结构合理分）。
两者结合才能全面反映“像不像”。

5、视差平滑损失 Cds
如果你看一张真实的深度图，大部分区域（比如墙面、地面、天空）都是 连续、平滑 的，不会出现“一个像素远、下一个像素突然很近”的跳跃。
所以 Monodepth 在训练时加了个 平滑约束：希望预测的视差图在相邻像素之间变化要小。
👉 就像画地形图：
正常情况 → 像山坡，缓慢变化。
特殊情况 → 碰到“悬崖”（物体边界），可以突然变化。
image.png
为什么要乘上 e−∣∂I∣？
直接要求“所有地方都平滑”会出问题：物体边界本来就该突变，但你硬要拉平，会导致边缘模糊。
所以用图像梯度作为“参考”：
图像没边界 → 强约束（要平滑）。
图像有边界 → 弱约束（允许突变）。
👉 就像“山坡 vs 悬崖”：

草地上要平滑过渡。
悬崖边缘允许突然掉下去。
视差平滑损失就是： 惩罚相邻像素视差差异，但在图像边缘处放宽要求。 这样网络预测出来的深度图既平滑，又能在物体边界处保持清晰。

6、 左右一致性损失 Clr
👉 左右一致性损失，就是让网络“自己和自己对话”，保证左右预测的结果能对上。
image.png

1. 直觉出发
   人眼看东西：左眼和右眼看到的画面虽然有差异，但它们对同一个物体的远近判断是一致的。
   如果左眼说“这只猫离我 2 米”，右眼却说“离我 5 米”，显然就不合理。
   👉 所以 Monodepth 强调：左视差图和右视差图要一致，否则深度预测就不符合几何规律。
2. 公式怎么做？
   假设：
   左图预测的视差是 d^l，右图预测的视差是 d^rr。
   从左图某个像素 (i,j)出发，加上视差 di,jl，能定位到右图的一个像素位置。
   那么：
   在这个对应位置上，右图的预测视差 dr 应该能“跳回”到左图的原位置。
   如果跳不回来，就说明两边预测不一致，要惩罚。

7、流程串联（结合图）
按照图片流程串起来，就是：
输入左图 → 编码器提取特征。
解码器预测视差 dl和 dr。
用预测的视差，把左图合成右图 (I~r)，用右图合成左图 (I~l)。
计算三类损失：
Cap：合成图和真实图是否像；
Cds：视差图是否平滑自然；
Clr：左右预测是否一致。
反向传播，更新网络参数。
最终，网络就学会了：从单张图像中预测合理的深度（视差），而且不需要激光雷达的标注数据。

4、Monodepth 的主要缺陷（来自原论文结论与讨论）
遮挡边界伪影
只靠光度重建训练，遮挡处两眼看不到同一像素，容易出“拉花/虚影”。作者明确把“显式遮挡推理”列为改进方向。
有些地方左眼能看到，右眼看不到（比如电线杆后面的背景），模型硬要“补”，结果会出鬼影。
比喻：就像你画一幅画，桌子后面的部分没看到，你硬想当然地画上去，画歪了。

镜面/透明体失真

1. 光度一致性假设
   Monodepth 的核心训练思路是：

假设场景里的表面都是 朗伯面（Lambertian surface），即表面看起来颜色一致，不随角度变化。
所以从左眼和右眼看过去，同一个点的颜色、亮度应该是一样的。
这样才成立 光度一致性损失：用视差把右图采样过来，和左图像素比对，看差不差。
2. 问题：非朗伯面（镜面 / 透明体）
但现实世界里很多表面不是朗伯的：

玻璃：透过它看到的是背后的景物，而不是玻璃本身。左眼和右眼透过去的角度不同 → 背景的折射不同 → 两边像素颜色对不上。
水面：会有反射、折射，左右眼看到的波纹、倒影可能完全不同。
镜子 / 光亮金属：你看到的是“另一边的景象”，而且反射角度敏感，左右眼差别很大。
👉 在这些情况下：光度一致性假设被破坏了。

Monodepth 论文里提到：
对于这种情况，简单的像素差 (L1) 或 SSIM 已经不够用了。
作者建议用 更复杂、更鲁棒的相似性度量，比如：
多尺度特征相似性（不是直接比像素，而是比高层特征）。
或者结合语义信息（知道“这里是玻璃”，就别太依赖光度损失）。
有些后续工作还会用 Mask，把这些区域权重降低。

域/标定差异敏感
不同数据集（相机内参、基线、分辨率）跨域时数值表现会掉，需要在目标域微调。
如果训练数据和测试数据的相机参数（比如焦距、分辨率）不同，效果会掉。

5、后续的哪些模型是如何基于此进行改进
Monodepth → Monodepth2（Godard et al., 2019）
主要改进：
自监督从双目扩展到视频序列：不仅用左右眼，还用前后帧做监督，进一步摆脱双目数据的限制。
更精细的重建损失：引入多尺度、多区域的损失设计，更鲁棒。
自动遮挡处理：在光度一致性里，遮挡会带来噪声，Monodepth2 提出了遮挡感知的损失。
👉 通俗理解：从“必须有双目”升级到“单目视频也能训练”。
Stereo/Mono + Self-Supervised 方向
很多工作发现：利用时序信息（视频）能进一步提高稳定性。
SfMLearner (Zhou et al., 2017)：预测相机位姿 + 深度，同时训练，开创了“单目视频自监督”的思路。
Later works (比如 MegaDepth, DDVO)：改进了位姿估计和优化方法，让网络更稳。
👉 通俗理解：网络一边学“物体多远”，一边学“自己往哪走”。
改进损失函数
Monodepth 的核心损失是：光度一致性 + 视差平滑 + 左右一致性。
后来很多研究改进了这部分：
遮挡感知 (Occlusion-aware loss)：解决物体遮挡导致的重建失败。
更鲁棒的相似性度量：替代 L1+SSIM，比如用特征空间的相似性。
边界感知平滑：让深度在边缘更锐利。
👉 通俗理解：让网络少被“玻璃、反射、遮挡”骗。
融合语义与深度
一些工作引入 语义分割（比如知道哪里是车、哪里是天空），帮助深度估计。
代表：Semantic Monodepth (Klingner et al., 2020)。
👉 通俗理解：知道“这是一辆车”后，深度预测会更合理。
更强的网络结构
使用 更强的编码器（ResNet, EfficientNet, Transformer），替代原始的简单 CNN。
PackNet-SfM (Guizilini et al., 2020)：通过特殊卷积结构保留更多几何信息。
最近有 Transformer-based 方法（比如 DPT, AdaBins），利用全局建模获得更平滑深度。
👉 通俗理解：从“小模型”升级到“大模型 + Transformer”，预测更精准。

6、模型结果
用了哪个数据集？
作者主要在 KITTI 数据集上做实验。
使用的是 KITTI Stereo benchmark 的子集（也叫 KITTI raw dataset 的子集）。
具体来说：
训练：使用 Eigen 等人定义的训练划分（常见的 split），大约 23k 左右训练图像。
测试：在 KITTI 官方的 Eigen split 测试集（697 张图）上评测。
同时，他们还在 KITTI 官方的 online stereo benchmark 上提交了结果，与其他方法比较。
论文里主要用了以下标准深度估计指标：
Abs Rel：平均相对误差
Sq Rel：平方相对误差
RMSE：均方根误差
RMSE log：log 空间的 RMSE
δ < 1.25, δ < 1.25², δ < 1.25³：预测值和真值在一定容差内的比例

本文来源：k学长的深度学习宝库，点击查看源码&详细教程。深度学习，从入门到进阶，你想要的，都在这里。包含学习专栏、视频课程、论文源码、实战项目、云盘资源等。