论文阅读笔记 | 三维目标检测——VoxelNet算法

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paper：《VoxelNet: End-to-End Learning for Point Cloud Based 3D Object Detection》

1.背景

以往的3d检测器都难免利用了手工设计特征(hand-crafted)，不够智能不能实现end-to-end地自动提取特征，而如果利用全部点云输入，处理点云可能搞到100k个点的数据可能会带来极大的计算量(其实这里是可以对输入进行采样的，不过对于一个大场景来说数据点确实有点大，这时候对点云量化确实是一个比较好的选择，具体需要结合特定的场景和数据量)。为此，VoxelNet提出一个端对端的3d检测器，对点云数据进行量化，避免复杂场景带来的高计算。

具体来说，VoxelNet将点云划分为等间距的3D体素，通过堆叠的VFE层对每个体素进行编码，然后3D卷积进一步聚合局部体素特征，将点云转换为高维体积表示。最后在RPN结构利用高维体积的特征表示来产生检测结果。

此外，在related work中，介绍了对中体素(voexl)的编码方法。比如，每个非空体素Voexl导出6个统计量进行特征编码；融合多个局部统计对体素进行编码；计算体素网格中的截断带距离(truncated signed distance)进行编码；或者对3d体素网格进行二进制(binary encoding)编码等等。

ps：这里稍微介绍一下什么是Truncated Signed Distance，简写为TSDF(Truncated Signed Distance Function)

详细参考资料见：三维建模中基于体素的TSDF模型是什么

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2. 网络结构

VoxelNet是一个anchor-based、one-stage的网络，其整体的网络结构大致可以分为体素特征表示，卷积特征提取以及RPN提取候选框三个部分。结构图如下所示。

2.1 体素特征表示

这里以对kitti数据集中的车辆检测为例进行说明。首先这里对点云场景进行区域划分，只考虑分别沿着Z、Y、X轴在[−3，1] × [−40，40] × [0，70.4]米范围内的点云。设置点云体素的体积为0.4x0.2x0.2，那么即可获得10x400x352数量的体素集合，在每个体素中设置T=35为最大考虑点。也就是分配在每个体素中的点为一组，在当前体素中采样35个点来表征当前的体素。由于T是最大采样点，所以每个体素中的点数量是不平衡的，此时需要对这些数量不平衡的体素表征点做处理来编码成voxel feature。

对于每个体素中的点，具有xyzr是个特征(位置特征xyz+反射强度r)，计算出体素的质心位置为vx，vy，vz，将每个点位置与质心位置相减，提取到相对坐标位置重新添加到每个点的特征上。那么，现在体素中的每个点具有7个特征：[xi, yi, zi, ri, xi −vx, yi −vy, zi −vz]。随后，将每个体素通过Voxel feature encodeing layer(VFE)结构处理，具体的操作如下所示。

这里原始的点特征作为point-wise input，逐点进行全连接层编码操作（这里的FCN包含MLP+BN+ReLU三个部分），获得point-wise feature，将其进行max pooling操作之后再拼接回去每一个点特征上。那么，现在每一个点的特征包括了原始特征进行MLP操作后的feature，以及进行max pooling聚合了局部信息的feature两个部分。当前层的VFE的输出作为下一层VFE的输入，point-wise feature的维度会不断增加，因为每一个VFE层都有两部分特征进行拼接。在具体实现上，这里会有2层VFE，参数为：VFE-1(7, 32)、VFE-2(32, 128)，对于最后每一个点的特征都编码成128维度。对于最后一层VFE的输出，再使用FCN层编码处理，随后进行max pooling聚合当前所有点的特征，作为最后的voxel-wise feature。

2.2 卷积特征提取

经过上个步骤的处理，现在对每一个体素都进行了编码，获得其voxel-wise feature。那么，按刚开始所说的对车辆的采样方式具有10x400x352个体素，现在的特征维度即为128x10x400x352。现在利用3d卷积进行特征提取，扩大其感受野进行聚合体素特征。对车辆检测具体的3d卷积设置为：Conv3D(128, 64, 3, (2,1,1), (1,1,1)),、Conv3D(64, 64, 3, (1,1,1), (0,1,1))、Conv3D(64, 64, 3, (2,1,1), (1,1,1))。每一层3d卷积都包含BN层和ReLU层。那么，128 x 10 x 400 x 352的特征输入现在经过3层卷积处理后变成了64 × 2 × 400 × 352的特征输出。

2.3 RPN网络

RPN网络的具体参数与结构如下所示（图以及画得很清晰，这里就不再作过多的解释）。

可以看见，最后的feature map回有两个head，一个用来分类，一个用来回归。这里需要解释下为什么score map的channels是2，而regression map的channels是14。对于feature map上的每个特征点，VoxelNet只对车辆检测设计了一种先验框(prior box)：la = 0.8, wa = 0.6, ha = 1.73 meters centered at za = −0.6 meters，同时对反向设置了0°和90°两个方向。也就是每个特征点上配置2中尺度相同但是方向垂直的两个先验框，所以score map的channels是2。而VoxelNet用(xa, ya, za, la, wa, ha, θa)一组7个的参数来表示3d候选框，所以一个piror预测7组参数，2x7=14，所以regression map的channels是14。

此外，VoxelNet的7个回归参数采用的是直接回归不分bin的方法，来直接回归ground truth的参数。非常的简洁明了，但是由于过于简单感觉后续可以改进其损失函数来提升精度。损失函数如下所示。对于车辆检测来说，在俯视图上最高置信度以及iou>0.6的anchor设置为正样本，iou<0.45的anchor设置为负样本，剩余阈值中的直接排除。

在训练过程中，VoexlNet还使用了一些数据增强的方法。
（1）随机平移与旋转，并且平移之后不同目标在俯视图上不存在重叠，即不发生碰撞。
（2）随机旋转，对点云坐标和真实检测框8个顶点坐标进行随机旋转。
（3）随机缩放，对点云坐标和真实检测框8个顶点坐标进行随机缩放。

对于kitti的行人和直行车配置等其他细节，可以查看论文。

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3. 实验结果

验证集上的结果如下所示：

在网络的具体处理中，由于点云的稀疏性导致90%的体素中完全没有点数据，为了使用GPUs来进行并行加速训练，VoxelNet设置了一个Efficient Implementation操作如下所示。

其中K是非空体素的最大数目，T是每个体素的最大点数，并且7是每个点的输入编码维度。在构建体素输入缓冲区之后，这些操作可在GPU上并行计算，实现稀疏体素结构重组为密集体素网格。

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