Semi-supervised learning via teacher-student network can train a model effectively on a few labeled samples. It enables a student model to distill knowledge from the teacher's predictions of extra unlabeled data. However, such knowledge flow is typically unidirectional, having the performance vulnerable to the quality of teacher model. In this paper, we seek to robust 3D reconstruction of stereo endoscopic images by proposing a novel fashion of bidirectional learning between two learners, each of which can play both roles of teacher and student concurrently. Specifically, we introduce two self-supervisions, i.e., Adaptive Cross Supervision (ACS) and Adaptive Parallel Supervision (APS), to learn a dual-branch convolutional neural network. The two branches predict two different disparity probability distributions for the same position, and output their expectations as disparity values. The learned knowledge flows across branches along two directions: a cross direction (disparity guides distribution in ACS) and a parallel direction (disparity guides disparity in APS). Moreover, each branch also learns confidences to dynamically refine its provided supervisions. In ACS, the predicted disparity is softened into a unimodal distribution, and the lower the confidence, the smoother the distribution. In APS, the incorrect predictions are suppressed by lowering the weights of those with low confidence. With the adaptive bidirectional learning, the two branches enjoy well-tuned supervisions, and eventually converge on a consistent and more accurate disparity estimation. The extensive and comprehensive experimental results on four public datasets demonstrate our superior performance over other state-of-the-arts with a relative decrease of averaged disparity error by at least 9.76%.


翻译:通过教师-学生网络的半监督学习,模型可以在少量标记样本上进行有效训练。它使得学生模型能够从教师对额外未标记数据的预测中蒸馏知识。然而,这种知识流通通常是单向的,很容易受到教师模型质量的影响,导致性能不稳定。在本文中,我们提出了一种新颖的双向学习方法,通过两个学习者之间的双向学习来实现对立体内窥镜图像的鲁棒三维重建,每个学习者可以同时扮演老师和学生的角色。具体来说,我们引入了两个自我监督,即自适应交叉监督(ACS)和自适应并行监督(APS),以学习一个双分支卷积神经网络。两个分支为同一位置预测两个不同的视差概率分布,并将它们的期望作为视差值输出。学习的知识沿着两个方向在分支之间流动:交叉方向(ACS中的视差指导分布)和并行方向(APS中的视差指导视差)。此外,每个分支还学习置信度以动态地优化其提供的监督。在ACS中,将预测的视差软化为单峰分布,并且置信度越低,分布越平滑。在APS中,通过降低置信度低的不正确预测的权重,以抑制这些预测。通过自适应双向学习,两个分支享有调优后的监督,并最终趋于一致且更准确的视差估计。在四个公共数据集上的广泛和全面的实验结果证明了我们相对于其他现有技术的优越性能,平均视差误差相对下降至少9.76%。

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