Modeling Local Geometric Structure of 3D Point Clouds using Geo-CNN 速记

Modeling Local Geometric Structure of 3D Point Clouds using Geo-CNN

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背景

• 作者认为直接以边向量通过MLP获得权重容易过拟合，因为边的几何结构多变，方差大；另外，直接映射至高维空间有可能丢失原有的几何结构，因此需要关注显式几何结构建模
• 改造局部点云中邻点与中心点的特征提取方式：首先将边缘特征提取过程分解成三个正交的基，然后根据边缘向量与基之间的夹角对提取的特征进行聚合。这鼓励了网络在整个特征提取层次中保持欧氏空间的几何结构。

模型流程

• 简单来说就是作者把边特征看作3个基向量所持有的特征的组合，网络所需要学习的是基向量的特征，而基特征组合成边特征的方式是作者设定的，不可更改的，作者根据几何关系（边的方向、模长）推理组合后的基特征即边特征

• p点在l + 1层的特征 = MLP(前一层特征) + 所有边缘特征g(pq)的加权和

• 权重为(邻域球半径 - 边的模长)^2
• 这个公式有两个很好的性质：
  • 结果随模长单调递减，离球心越近，权重越高
  • 当球半径增大时，两个相近邻点与中心点构成的权重差距减小。也就是说感受野扩大时，需要更大的模长差距来获得相同的权重差，要求随感受野扩大

• 作者将欧式坐标系分为6个基向量，分别对应6个不同的权重矩阵

• 每个基向量拥有不同的权重，所以邻点特征X^l_q可以通过6个不同的全连接层获得按照不同基升维后的结果（只需要用到其中3个）
• 某一条边的特征等于其所在象限对应的3个基特征的加权和，权重为cos^2(边向量与基向量构成的夹角)，即按角度分权，注意3个cos^2的和始终为1

• 这里利用了一个多视图的trick，就是把整个点云按照z轴旋转获得不同视角v下获得的边权重，然后加权聚合，其中w_v可学习
• v取等间隔的10 ~ 40个视角效果差不多，文中约提0.5%

其他

• 整个流程图，这里的θ好像画错地方了，不过下面的解释没问题

• GeoConv采用bottleneck结构

疑惑

1. 这种操作是怎么减轻过拟合的？方差越大就约容易过拟合？
2. 为什么将坐标轴分为正负轴，构造6个基向量？