【三维目标检测】FCAF3D（一）
FCAF3D是一种anchor-free的全卷积室内三维目标检测算法，由三星公司发表在ECCV 2022 《FCAF3D: Fully Convolutional Anchor-Free 3D Object Detection》，论文地址为“https://arxiv.org/abs/2112.00322”。现有的 3D 物体检测方法使得对物体几何形状的先验假设，作者认为它限制了模型的泛化能力。FCAF3D采用anchor-free的方式避免这种提前假设，是一种纯粹数据驱动的方法。目前，该方法发布时在ScanNet V2 (+4.5)、SUN RGB-D (+3.5)和S3DIS (+20.5) 数据集上均取得了最好的结果。下图所示排名数据和图片来源于paperwithcode官网（2022.12.12），目前FCAF3D仍然排名比较靠前，地址为“https://paperswithcode.com/sota/3d-object-detection-on-sun-rgbd-val”。
1 源码与数据输入
FCAF3D官方源码地址为“https://github.com/samsunglabs/fcaf3d”。这里主要介绍mmdetection3d中实现的版本。mmdetection3d安装和调试验证可参考本专栏之前的博客：【mmdetection3d】mmdetection3d安装详细步骤_Coding的叶子的博客-CSDN博客_mmdetection3d，里面有详细介绍。
Mmdetection3d FCAF3D支持ScanNet V2、SUN RGB-D和S3DIS三种室内数据集，这里重点介绍S3DIS数据集。S3DIS数据集详细介绍请参考：mmdetection3d S3DIS （持续更新）_Coding的叶子的博客-CSDN博客。
2 mmdetection3d 上s3dis数据处理与模型训练
Mmdetection3d s3dis数据集处理过程请参考：mmdetection3d S3DIS （持续更新）_Coding的叶子的博客-CSDN博客。
数据集处理命令为：
cd data/s3dis
python collect_indoor3d_data.py
cd ../..
python tools/create_data.py s3dis --root-path ./data/s3dis --out-dir ./data/s3dis --extra-tag s3dis3 源码运行调试
mmdetection3d s3dis数据集预处理完成之后，运行下述命令即可开始FCAF3D训练。
python tools/train.py configs/ssn/hv_ssn_secfpn_sbn-all_2x16_2x_nus-3d.py3.1 MinkowskiEngine
程序运行依赖于MinkowskiEngine库，如果未安装该库则会报错误提示“NameError: MinkSingleStage3DDetector: MinkResNet: name 'ME' is not defined”。MinkowskiEngine是一个用于稀疏张量的自动微分库，支持所有标准神经网络层，例如卷积、池化等操作。FCAF3D主要用其来进行三维稀疏卷积操作。
直接使用“pip install MinkowskiEngine”进行安装时，可能会报错误提示“BLAS not found from numpy.distutils.system_info.get_info.”。可通过下面步骤成功安装：
apt-get update
apt install build-essential libopenblas-dev
git clone https://gitee.com/mirrors_NVIDIA/MinkowskiEngine.git
cd MinkowskiEngine
python setup.py install --blas_include_dirs=${CONDA_PREFIX}/include --blas=openblas4 FCAF3D简介
FCAF3D模型的整体结构如下图所示。该模型属于anchor-free目标检测算法。FCAF3D主干网络采用的是典型的ResNet34 FPN结构。该结构采用了三维稀疏卷积进行计算，计算过程中得到的非稀疏点作为Head预测的种子点。FPN层实现了四种不同特征尺度下的预测，各种尺度下的特征维度分别为64、128、256和512。
4.1 bbox编码
模型直接预测结果通常是目标和种子点之间的偏差。例如:
d1 = x + w/2 - px
d2 = px - x + w/2
d3 = y + l/2 - py
d4 = py - y + l/2
d5 = z + h/2 - pz
d6 = pz - z + h/2其中，x、y、z、w、l、h分别为目标中心点坐标和尺寸，px、py、pz为种子点坐标，d1~d6为预测偏差。那么，我们可以得到：
w = d1 + d2
h = d3 + d4
z = d5 + d6因而，由种子点及其预测偏差即可得到预测目标的三维坐标和尺寸，从而实现对模型直接预测结果的解码。
三维目标中的另一个关键位置参数时偏转角度θ，而这个角度选择通常与物体的正面相关。但是，对于类似于圆形或方形目标一般难以选取正面，或者说前后左右四个面都可以作为正面。这给损失函数计算时带来了难度。因此，针对这种情况，作者希望设计一种偏移，使得物体尺寸固定时任意一面作为正面时取值是相同的。
假设偏移角度为θ，宽高比w/l为q，尺寸s为宽高之和（w+l），在x、y、z、w+l、h保持不变时，作者利用莫比乌斯带原理证明了四种朝向下ln(q)sin(2θ)、ln(q)cos(2θ)、sin(4θ)和lsin(4θ)是相同的，并使用前两个结果作为近似，进而得到角度偏差如下：
d7 = ln(w/l)sin(2θ)
d8 = ln(w/l)cons(2θ)预测结果与目标尺寸、方向之间的位置关系如下：
4.2 损失函数
模型预测结果主要包含三部分：目标类别、中心度、位置。输入数据包含5个类别，且目标类别的损失函数为FocalLoss。目标中心度和bbox位置的损失函数分别为CrossEntropyLoss和AxisAlignedIoULoss。
5 模型结构与代码详解
模型详细结构及推理过程请参考下一篇博客：预计本周内更新。