【3D目标检测】PointRCNN

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论文

一、论文思路

本文提出了一个两阶段的3D detection模型PointRCNN。论文的模型分为两个阶段，第一阶段先使用PointNet++作为一个前景分割模型，分割出前景作为3D的proposal；第二阶段再将得到的proposal和上一阶段的特征一起作为模型的输入，得到精准的bounding box回归。

二、模型实现

2.1 阶段一

第一阶段如上图所示，基本上就是通过了一个PointNet++去提取全局点云的特征，紧接着实现一个前景的分割和粗粒度的bounding box。

• 需要注意的是在前景分割中使用的是Focus Loss：
  
• 在Bounding box的生成中有两个关键步骤，一个是中心点的确立，另一个是尺寸和方向的确立。对于后者，这篇文章使用的方法基本和Frustum PointNets相同，这里主要说前者。对于前者，这篇文章提出了一个bin-based方法去定位bounding box的中心点，如图所示：
  
  对于每一个分割出的前景点，都对x-z坐标系构建一个网格，每一格的举例是认为给定的，因此就可以初步预测中心点在哪一格里，再对其进行精确地残差回归（y轴由于比较扁平，因此可以直接回归）。最终的目标如下：
  
  其中σ和S是搜索的范围，$bi{n}_x^{(p)}$和$bi{n}_z^{(p)}$是X轴和Z轴上的ground truth。
• 在实验过程中，这篇文章先选择置信度最高的bin-based中心点，再去回归bounding box的参数（长宽高和朝向角），最后对于每一个前景的点，都计算这样的输出。在训练的时候，其采用0.85 IoU的MNS（最大值抑制）去去除鸟瞰图上的bounding box，其后只选择前300去训练阶段二的模型（测试的时候只保留前100）。

2.2 阶段二

作者利用得到的proposal，稍微扩大一定的大小，获得更大的context信息，然后将相应的点的原始特征还有segmentation提取的特征进行融合。

接着作者利用Canonical Transformation (正交变换)，转换到每个proposal的local坐标系，其中坐标系的中心点是proposal的center，X,Z轴平行于地面,X轴指向proposal的heading方向，这样的方式更有利于local特征的学习，同时学习的方式跟stage one一样，也是利用PointNet++的结构结合bin-based的方式，把回归问题转化成分类的问题。

最后，再通过MNS>0.01去掉所有重合的bounding box。

2.3 实现细节

• 输入：第一阶段的输入是16384个点，第二阶段的输入是512个点；
• 网络结构：第一阶段是四层三尺度的PointNet++，采样个数为【4096，1024，256，64】，第二阶段为三层单尺度，采样个数为【128，32，1】；
• 第一阶段（车）：
  选择ROI的时候在原前景分割的基础上往外取0.2m；
  bin-based的中心点预测时S=3m,σ=0.5m；
  旋转角预测时n=12（一共12个bin）；
  200 epoch，16 bs，0.002 lr。
• 第二阶段（车）：
  对于box置信度的输出：IOU>0.6为正例，<0.45为负例；
  对于角回归的输出：IOU大于0.55；
  对于bounding box的参数学习：S=1.5m,σ=0.5m，旋转角是10°；
  随机翻转、尺度缩放[0.95,1.05]，在y轴旋转[-10,10]°；
  将不同场景的相同物体，放在该场景的相同位置，来模拟不同场景的相同物体；
  50 epoch， 256 bs， 0.002 lr。

三、实验结果