Yolo-6D(Real-Time Seamless Single Shot 6D Object Pose Prediction)理解

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本文创新点

1. 从一个RGB图像预测他的6D位姿估计，不需要多阶段也不需要检验多种假设，也不需要精确的目标纹理模型，精准度足够不需要后期处理。
2. 提出了一个新的CNN结构，直接预测目标的射影顶点的2D图像位置，然后用PnP算法估计目标的3D位姿。

相比之下其他的算法：

1. 运行速度随着检测物体的数量直线上升，而作者的方法运行时间和目标数量关系不大，保持稳定。
2. 现存的一些算法都需要微调他们的结果，这样就导致了每个物体检测都超时了，作者不需要微调速度更快

但是：
作者的方法需要先验3D模型知识

作者Ideal来源

ta mu gong, o mu zi a

作者方法

没什么很新的方法，就把方法和训练写一起了

核心思想

用网络预测3D包围盒角落的射影的2D位置，这涉及到预测比2D包围盒回归更多的2D点。得到了2D的角落射影，再加上先验3D点信息，直接用PnP算法就是能求出6D位姿

Deep3Dbox只用了四个点，难道是预测的物体的中心点？再加上一些看似立体的、Deep3Dbox并没有预测的点？

算法流程

点的信息

用9个控制点参数化每个目标的3D模型，好处：
这几个参数能用在任意形状和拓扑的刚体上，九个点展开到2D图像很方便，而且对许多人造物体有语义意义。

咋还用这么多？八个不够吗，中心点有啥用
答：也不一定非要用9点法表示，也可以用其他方法
在这些点里面，选择紧凑的3D包围盒的八个角点来拟合3D模型。
第九个点当形心
有了形心是不是比较好判断方向？

网络结构

用全卷积加工输入的2D图片，如Figure 1 (a)

$$Figure1(a)$$
用的是v2的yolo，共使用23个卷积层和5个最大池化层，选择$S=13$。还允许网络高层添加转移层来使用fine-grained特征。从维度是$26\times 26\times 512$的层提取出了特征，卷积成$13\times 13\times 256$后和$13\times 13\times 1024$特征图结合。

为了获得更精细的特征？很像残差，这样对预测小尺度物体有好处，是为了这个吗？

当网络的下采样用32因子的时候，就用32的倍数的分辨率作为图象输入$\{320,352,...,608\}$，以此来增强对不同size物体的鲁棒性。

然后将图片分到2D规则网格$S\times S$中去。

$$Figure1(c)$$

上图的每个cell中都包含着一个($9\times 2+1+C$)的特征向量，存放的是9个点($18$)、目标的分类概率($C$)和整体的置信度($1$)，如下图所示。

$$Figure1(e)$$

3D框置信度计算

在2D框的预测中，会根据object_confidence分数和IoU来进行筛选，在3D框的预测中，也需要这一步操作，但是3D的IoU求起来很麻烦，所以作者就用下面的公式计算置信度：

yolo v2的 confidence=P(object) *IOU

$$这个图中的公式不对，应如下：$$

$c(x)$是置信度函数值
$D_T(x)$是预测的2D点到真实点之间的欧式距离

所以是全部的点吗？可能是
答：就是全部的点，然后计算平均值

3D框Anchor的选择

以上是单目标检测，多目标的话就要引入Anchor的概念：
当物体间靠的很近或者相互遮挡时，他们的中心可能在一个cell中，这种情况，作者给每个cell提供五个anchor，每个anchor都会有一套数据，然后训练的时候选择2D框和真实框IoU最大的那个。

IoU大于0.5就认为检测是正确的。

这个2D框是指yolov2预测出来的？不应该啊，预测的是九个点，还是说把这九个点平面化了，然后和真实的

所以，就算有靠的很近的，也不会全部标出来，还是选择当前IoU最大的一个显示出来，这时网络的输出就变成了$13\times 13\times (9\times 2+1+C)\times 5$

九个关键点的计算

Figure 1 (e)

在9对预测的2D坐标点中，形心点是相对于cell左上角的偏移$(c_x,c_y)$,将偏移量限制在$(0,1)$中，其他的角点就不管了 ，都不会在cell中，这将迫使网络首先为对象找到近似的cell位置，然后改进它的八个角位置。

根据这句话就应该知道：其他的八个点不需要在cell中，所以也就不需要sigmoid操作，知道了这一点下面就不应该不理解了

中心点的计算：
$$\begin{gathered} g_x=f(x)+c_x \\ {g}_y=f(y)+c_y \end{gathered}$$

$f()$在形心的情况下是一个1D sigmoid 函数，在八个角点的情况下的单元函数

这是什么神奇算法？是八个点的sigmoid加在一块就是中心点了？
答：不是的，这里理解不好是翻译问题：
where f(·) is chosen to be a 1D sigmoid function in case of the centroid and the identity function in case of the eight corner points.
$f()$在形心的情况下是一个1D sigmoid 函数，在八个角点的情况下的单元函数

特殊情况：
对于那大的物体，中心点可能在两个cell的交接处(点还有半径？？offset变成了1？？好巧啊)

这种情况怎么处理呢？分别看两个的分数？还是说两个cell都不会给出分数？应该都会给，选最大的一个
答：找有最大置信度的cell周围$3\times 3$个cell，对每个cell的角点做加权平均，权重是他们的confidence 分数，找出加权分数最大的？这么说每个角点都有个分数？不应该啊

PnP

最后，有了预测的3D包围盒的投影点和真实的3D模型包围盒点，用PnP算法就能估计出位姿

这还得提前知道3D模型才行，好像挺难拜托预知3D模型的限制

loss计算

整个训练网络的loss：
$$L={\lambda }_{pt}{L}_{pt}+{\lambda }_{conf}{L}_{conf}+{\lambda }_{id}{L}_{id}$$

对于坐标和置信度损失用的$L_2$损失函数，分类用的交叉熵。

一个提高模型稳定性的技巧：给confidence减权，当cell中有物体的时候把${\lambda }_{conf}$设置成5.0，当cell中没物体的时候${\lambda }_{conf}$设置成0.

实验

backbone：
用的是ImageNet初始网络来训练，一开始把${\lambda }_{conf}$设置成了0来进行预训练，然后，根据有无物体设置${\lambda }_{conf}$。

为什么预训练要把置信度设置为0？
答：一开始的置信度预测效果是很差的，连坐标都预测不准也就不用谈什么置信度了。当坐标预测稍微准了点的时候，再开始置信度的训练。

参数设置：
将指数的$\alpha$参数设置成了2，距离阈值设置成了30像素。

学习率是0.001，每100个epoch除以10.
数据增强：
为防止过拟合，随机选择色调、饱和度、曝光来做1.2倍的处理。还随机平移和缩放20%。

度量：
在使用重投影误差时，我们认为当使用重投影误差的物体3D网格顶点的2D投影与地面真实位姿之间的平均距离小于5像素时，姿态估计是正确的

现在看好像不重要，怎么度量直接看比赛的度量方法就行。

训练数据操作：
作者使用训练集提供的mask标注，将图片中的物体抠出来，然后给安上别的背景图片

这样是不是更好训练，更容易识别，但是鲁棒性不会降低吗？还是说换了背景，关联性更小，鲁棒性更高，防止神经网络学习到了背景和物体之间的联系？

性能

$$不同size的输入$$

$$速度与目标数量的关系$$

$$训练结果展示$$

参考文献

知乎文章