主要內(nèi)容：

提出了第一種用于交叉視圖圖像地理定位的純Transformer方法，在對齊和未對齊的數(shù)據(jù)集上都實現(xiàn)了最先進的結(jié)果，與基于CNN的方法相比，計算成本更低，所提出的方法不依賴于極坐標(biāo)變換和數(shù)據(jù)增強，具有通用性和靈活性。

論文出發(fā)點：

基于CNN的交叉視圖圖像地理定位主要依賴于極坐標(biāo)變換，無法對全局相關(guān)性進行建模，為了解決這些限制，論文提出的算法利用Transformer在全局信息建模和顯式位置信息編碼方面的優(yōu)勢，還進一步利用Transformer輸入的靈活性，提出了一種注意力引導(dǎo)的非均勻裁剪方法去除無信息的圖像塊，性能下降可以忽略不計，從而降低了計算成本，節(jié)省下來的計算可以重新分配來提高信息patch的分辨率，從而在不增加額外計算成本的情況下提高性能。

這種“關(guān)注并放大”策略與觀察圖像時的人類行為高度相似。

圖像地理定位（名詞解釋）：

基于圖像的地理定位旨在通過檢索GPS標(biāo)記的參考數(shù)據(jù)庫中最相似的圖像來確定查詢圖像的位置，其應(yīng)用在大城市環(huán)境中改善具有大的噪聲GPS和導(dǎo)航，在Transformer出現(xiàn)之前，通常使用度量學(xué)習(xí)損失來訓(xùn)練雙通道CNN框架，但是這樣交叉視圖檢索系統(tǒng)在街道視圖和鳥瞰視圖之間存在很大的領(lǐng)域差距，因為CNN不能明確編碼每個視圖的位置信息，之后為了改善域間隙，算法在鳥瞰圖像上應(yīng)用預(yù)定義的極坐標(biāo)變換，變換后的航空圖像具有與街景查詢圖像相似的幾何布局，然而極坐標(biāo)變換依賴于與兩個視圖相對應(yīng)的幾何體的先驗知識，并且當(dāng)街道查詢在空間上未在航空圖像的中心對齊時，極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可能會失敗。

Contribution：

提出了第一種基于Transformer的方法用于交叉視圖圖像地理定位，無需依賴極坐標(biāo)變換或數(shù)據(jù)增強。

提出了一種注意力引導(dǎo)的非均勻裁剪策略，去除參考航空圖像中的大量非信息補丁以減少計算量，性能下降可忽略不計，通過將省下來的計算資源重新分配到信息patch的更高圖像分辨率進一步提高了性能。

與基于CNN的方法相比，在數(shù)據(jù)集上的最先進性能具有更低的計算成本、GPU內(nèi)存消耗和推理時間。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

Patch Embedding：

Class Token：

最后一層輸出的類token被送到一個MLP頭以生成最終的分類向量，使用最終輸出向量作為嵌入特征，并使用上面說的損失對其進行訓(xùn)練。

可學(xué)習(xí)的位置嵌入：

位置嵌入被添加到每個token以保持位置信息，采用了可學(xué)習(xí)的位置嵌入，這是包括class token在內(nèi)的所有（N+1）token的可學(xué)習(xí)矩陣，可學(xué)習(xí)的位置嵌入使雙通道Transformer能夠?qū)W習(xí)每個視圖的最佳位置編碼，而無需任何關(guān)于幾何對應(yīng)的先驗知識，因此比基于CNN的方法更通用和靈活。

多頭注意力：

Transformer編碼器內(nèi)部架構(gòu)是L個級聯(lián)的基本Transformer，關(guān)鍵組成部分是多頭注意力塊，它首先使用三個可學(xué)習(xí)的線性投影將輸入轉(zhuǎn)換為查詢、鍵和值，表示為Q、K、V，維度為D，然后將注意力輸出計算為

，一個k-head注意力塊用k個不同的head對Q、k、V進行線性投影，然后對所有k個head并行執(zhí)行attention，輸出被連接并投影回模型維度D，多頭注意力可以模擬從第一層開始的任意兩個標(biāo)記之間的強全局相關(guān)性，這在CNN中是不可能學(xué)習(xí)的，因為卷積的接受域有限。

Attention引導(dǎo)的非均勻裁剪：

當(dāng)尋找圖像匹配的線索時，人類通常會第一眼找到最重要的區(qū)域，然后只關(guān)注重要的區(qū)域并放大以找到高分辨率的更多細節(jié)，把“關(guān)注并放大”的思想用在交叉圖像地理定位中可能更有益，因為兩個視圖只共享少量可見區(qū)域，一個視圖中的大量區(qū)域，例如鳥瞰圖中的高樓屋頂，在另一個視圖可能看不見，這些區(qū)域?qū)ψ罱K相似性的貢獻微不足道，可以去除這些區(qū)域以減少計算和存儲成本，然而重要的區(qū)域通常分散在圖像上，因此CNN中的均勻裁剪不能去除分散的區(qū)域，因此提出了注意力引導(dǎo)的非均勻裁剪

在鳥瞰分支的最后一個transformer編碼器中使用注意力圖，它代表了每個token對最終輸出的貢獻，由于只有class token對應(yīng)的輸出與MLP head連接，因此選擇class token與所有其他patch token之間的相關(guān)性作為注意力圖，并將其重塑為原始圖像形狀。

模型優(yōu)化：

為了在沒有數(shù)據(jù)增強的情況下訓(xùn)練Transformer模型，采用了正則化/泛化技術(shù)ASAM。在優(yōu)化損失時使用ASAM來最小化損失landscape的自適應(yīng)銳度使得該模型以平滑的損失曲率收斂以實現(xiàn)強大的泛化能力。

通過同時最小化的損失和自適應(yīng)銳度，能夠在不使用任何數(shù)據(jù)增強的情況下克服過擬合問題

實驗：

在兩個城市規(guī)模的數(shù)據(jù)集上進行了實驗，即CVUSA和VIGOR，分別代表了空間對齊和非對齊設(shè)置

評估度量：在top-k召回準(zhǔn)確率，表示為“R@k”，基于每個查詢的余弦相似度檢索嵌入空間中的k個最近參考鄰居，如果地面真實參考圖像出現(xiàn)在前k個檢索圖像中，則認為其正確。

預(yù)測GPS位置和地面真實GPS位置之間的真實世界距離作為VIGOR數(shù)據(jù)集上的米級別的評估。

命中率，即覆蓋查詢圖像（包括地面真相）的前1個檢索參考圖像的百分比

和之前SOTA方法SAFA在計算代價上的比較

總結(jié)：

提出了第一種用于交叉視圖圖像地理定位的純Transformer方法，在對齊和未對齊的數(shù)據(jù)集上都實現(xiàn)了最先進的結(jié)果，與基于CNN的方法相比，計算成本更低。

缺點是使用兩個管道，且patch選擇簡單地使用不可通過參數(shù)學(xué)習(xí)的注意力圖。

審核編輯 ：李倩