【3D目标检测】Frustum PointNets

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论文

一、论文思路

本文先通过2D模型通过图像生成2D的bounding box，再通过frustum（平截头体）的方式去映射成一个3D的候选区域。在模型的第二阶段，本文使用3D基于点云的模型（如PointNet和PointNet++）去对 上一阶段frustum找出的候选区域进行实例分割和最终3D bounding box的回归。

二、模型介绍

2.1 模型结构

• 从图中的第一部分可以看出，该模型首先通过一个2D的CNN去得到一个物体2D的bounding box和它的类别，然后将2D的bounding box映射成一个3D的frustum proposal。
• 图中的第二部分是一个实例分割的网络，可以将上一步frustum proposal中的点采样到$N\times C$，其中$N$是点的个数，$C$是每个点的特征维度，包含XYZ以及强度信息。最终这些点和这个proposal通过2D CNN得到的类别的one hot vector一起作为这一步实例分割网络的输入，输出一个对于N个点的mask掩码，被掩码过滤过的$M$个点继续作为下一阶段的输入。
• 最后一阶段，一个基于PointNet的TNet网络，将输入点校正对齐，并通过另一个网络回归预测出3D的bounding box。

2.2 实现细节

2.2.1 Frustum Proposal

通过一个投影矩阵，每一个2D的bounding box可以被映射成一个3D的frustum proposal。由于每一个frustum proposal的朝向都不一样，因此如下图过程（a）到（b），其会先将其旋转到与相机正交的方向，这样增加了后续算法的旋转不变性。

在2D的detection模型中，本文选用了FPN架构，在ImageNet上面训练，并在KITTI上面fine tune。

2.2.2 3D Instance Segmentation

从下图可以看出，如果仅仅使用Frustum Proposal的话，得到的点云中还包含了大量的背景点，因此这一模块主要的功能就是将我们需要的前景从背景中分割出来。并且如上一张图（c），对于分割出来的前景点云还要将其中心化来引入平移不变性。

2.2.3 Amodal 3D Box Estimation

这一部分主要包含两个部分：

• T-Net：和PointNet中的T-Net类似，只不过这里学习的不是旋转矩阵，而是一个物体中心点的残差，并且这里是有监督的。
• Box Estimation Net：输出最终bounding box的各种参数，输出的维度为$3+4\times NS+2\times NH$，其中3代表对于中心点的残差回归，是接在T-Net回归之后的；NS代表不同size的anchor个数，每个anchor有四个维度，分别是该anchor的置信度以及长宽高的残差回归；NH代表不同朝向的anchor，每个anchor有两个参数，分别是置信度和朝向角θ。

2.2.4 模型结构

模型的具体结构如下：

2.2.5 损失函数

由于这是一个多任务优化算法，因此在损失函数中应包含用于图像分割的Pointnet的损失$L_{seg}$用于坐标平移的T-Net的损失、和用于框出目标的损失三部分组成。具体的公式如下：

• $L_{c1-reg}$ 和$L_{c2-reg}$ 分别对应T-Net的坐标平移损失和box estimation的中心回归损失（也就是判断中心产生的损失）。
• $L_{h-cls}$和$L_{h-reg}$分别对应朝向的类别损失和回归损失（即离散值anchor的类型分类，和连续值的回归——smooth l1 loss）。
• $L_{s-cls}$和$L_{s-reg}$分别代表box尺寸的类别损失和回归损失，与朝向类似。

上面的损失公式将box的尺寸和角度等参数视为独立的变量计算损失，但实际情况是box的尺寸和角度共同决定了box的信息，而最终得到的box的信息才是我们想要的。因此，frumstum pointnet引入了box的角损失（即对8个bounding box的corner进行损失计算），也就是上面的损失公式中的$L_{corner}$，具体的计算公式为：

这里在NSxNH个anchor中仅有正确的size和head朝向的那个box会计算损失（即其他时候δ=0）。对于第i个size的第j个朝向的box的第k个角$P_k^{ij}$，会移动到ground truth box的中心，与每个对应的角算L1 Loss。为了考虑到翻转180度的问题，这里会算与180度旋转之后的角$P^{\ast \ast }$的损失，并取最小值。（后面最后一项中是对k求和而不是i，论文应该写错了）

三、实验结果

论文在detection的任务里比较了KITTI数据集（包含3D detection和鸟瞰图的detection）和SUN-RGBD数据集。