【论文阅读】ES6D: A Computation Efficient and Symmetry-Aware 6D Pose Regression Framework

随缘更新

一篇被CVPR 2022接收的6D位姿估计方向的论文，个人觉得这篇文章很有价值，但是源码暂时没有放出。

论文链接 ES6D: A Computation Efficient and Symmetry-Aware 6D Pose Regression Framework

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主要内容和贡献

本文主要提出了一个regression framework，用来从单张RGB-D图像中预测物体的6DoF姿态，具体来说主要有以下几点：

1. 本文所提出的 XYZNet 同时兼具efficient和simple两大优点
   • efficient，指用fully convolutional network高效的从RGB-D数据中提取point-wise features，且可以很好的处理对称物体。
   • simple，指可以直接回归出物体的6D位姿而不需要后处理进行二次提炼（directly regresses the 6D pose without any post refinement）
2. 本文提出一种新的symmetry-invariant pose distance metric，称为average (maximum) grouped primitives distance，即A(M)GPD，可以用于当作loss也可以用于结果的evaluate。A(M)GPD拥有以下性质：
   • all minima in the loss surface are mapped to the correct poses，即：能使loss达到最小值所对应的位姿一定是正确位姿（这个在相关工作第二点处提到，可以往下看）。
   • the loss function is continuous，神经网络想要正常梯度下降，loss函数必须连续。
3. 在YCB-V和T-LESS两大数据集上的结果证实了本文所提出的framework能保证高accuracy的基础上拥有low computational cost这一优势。

相关工作

Pose estimation from RGB-D data

• 为了利用RGB-D数据的纹理信息和几何信息，dense fusion network常利用indexing operation（这个我也不清楚是什么）融合RGB特征和点云特征，但是indexing operation需要随机存取内存，是非常低效的。
• 为了弥补上面这种方法的短板，2D convolutional kernels被用来同时提取RGB特征和点云特征，然而点云的几何信息会在卷积操作过程中被抛弃，导致预测的低精确度。
• 现有方法都无法很好的处理对称性。

Handling symmetries in pose estimation

对称物体在不同位姿下观测结果都一样（姿势不一样但是拍出来的照片长的一样，因为它对称），为了解决这个模棱两可的问题，现有的方法主要有以下几种：

• 在training phase限制旋转范围；在testing phase用一个额外的分类器来判断一个旋转属于哪个范围之内，然后在这个范围内预测旋转量。

• 这句太绕了，原文是

  calculate the average distance of the corresponding pixels of all the proper symmetries $S(O)$, and choose the minimum as the final loss.

  我理解的是：

  对于物体 $O$，其所有的对称姿态的集合为 $S(O)$，对于 $S(O)$ 中的每个姿态对应的groundtruth图片和预测结果图片长的都一样，但是像素所代表的点不一样，计算出预测图片和*$S(O)$内每个姿态对应的groundtruth图片*二者对应像素所对应的三维点之间距离，然后求平均作为预测图片对应于$S(O)$内某一姿态的loss，最后从 $||S(O)||$ 个loss中选一个最小的作为预测图片最终的loss。

• regression methods在训练时把把ADD-S作为对称物体的loss

  ADD-S的计算公式是 $\frac{1}{m}{\sum }_{{\mathbf{x}}_1\in \mathcal{M}}{\min }_{{\mathbf{x}}_2\in \mathcal{M}}\Vert \left(\mathbf{R}{\mathbf{x}}_1+\mathbf{T}\right)-\left(\tilde{\mathbf{R}}{\mathbf{x}}_2+\tilde{\mathbf{T}}\right)\Vert$

• 把物体分成紧凑的表面碎片，系统的处理对称性而不是一个点一个点去处理。

• 使用其他的ambiguity-invariant pose distance metrics来衡量预测位姿和真实位姿之间的误差，如ACPD, MCPD, and VSD

但是，ADD-S并不适用于每个对称物体，究其原因，是因为ADD-S和ACPD, MCPD, and VSD等metric在收敛到最小值时并不会映射到正确的位姿（也就是说即便位姿预测错误了，也可能使这些metric达到最小值，造成误判）。因此本文提出了A(M)GPD来解决这个问题。

模型架构

主要分为两个阶段：

1. 得到目标物体的mask和bounding box

   本文中第一阶段由PoseCNN的segmentation network完成，核心在第二阶段。

2. 将masked depth pixels标准化后转换为 XYZ map，然后将其于RGB patch结合起来通过本文提出的ES6D提取point-wise features

   将point-wise features通过multi-task convolution heads得到pointwise translation offsets ($\Delta t_i$), quaternions ($q_i$), and confidences ($c_i$，即置信度)，最后拥有最大confidence的位姿作为预测位姿。

Point-wise feature extraction

（写不动了，休息一下，有时间再更新详细内容）

主要分为三部分：

1. Local feature extraction module
2. Spatial information encoding module
3. Feature aggregation

6D pose regression

将point-wise features作为multi-task convolution heads的输入，得到三个输出（分别对应三个任务）：

1. 3D translation regression
2. 3D rotation regression
3. Confidence regression

可以看出上述过程都是回归任务，且纯靠卷积完成

Symmetry-aware loss A(M)GPD

Grouped primitives

Pose distance metric

实验部分