【深度学习——点云】PointNet

这篇文章是发表在CVPR 2017上的一篇关于对点云数据进行分类与分割的文章，文章链接：PointNet: Deep Learning on Point Sets for 3D Classification and Segmentation

1. Background

大数据时代下3D数据的日益增多，急需一套有效的针对3D数据的深度学习网络来进行分类、分割等任务。点云是一种简洁的、最接近原始传感器数据的结构，在深度学习之前，大多数针对点云数据的特征提取都是手工构造的方法，例如PFH、VFH、RIFT等，这类方法不够高效，对信息的利用率不够高。

但是深度学习模型一般针对是具有规则结构的栅栏型数据如语音、图像，如下图（a），但是点云数据，如图（b）（c）是2D点云数据，是不规则的且无序的。如果网络要处理这样的数据并进行分类，那就要满足两个条件：（1）改变输入点的顺序不会改变最终预测结果，即Invariant to permutation；（2）相同种类的不同点云样本，可能通过不同的采样方式进行采样，使得它们虽然具有相同的结构，却在不同的参考坐标系下，网络需要对这种点云结构的移动、旋转、缩放具有不变性，即Invariance to geometric transformations。

2. Related Work

在此之前，针对点云的处理方法有（1）手工构造点云特征，再利用分类器进行分类，但这样的特征表达能力欠缺，在此特征基础上的高级任务不够高效；（2）将3D点云数据map到2D图像中，使用2D CNN提取特征进行分类，但是在转换过程中会丢失了很多空间信息；（3）将3D点云数据map到3D的体素数据当中，点云数据中点与点的相对距离相比规则的体素数据会更具有多样性，所以在映射过程中会不可避免丢失信息，且产生的体素数据真正的样本点是稀疏的，会产生大量冗余数据，计算效率底下。

3. Method

3.1 Invariant to permutation

为了实现Invariant to permutation，且去除对输入点的数量的依赖，需要一种具有对称性的函数来处理具有无序性的点云，使得不论如何变化点云的输入顺序都不会对结果产生影响，文章首先使用共享参数的MLP对每个点进行特征提取，再使用MaxPooling在特征维进行池化操作，使得网络对不同数量点的点云产生相同维度的特征向量，且输出对输入点的顺序产生不变性。在得到固定维度的特征向量之后，再使用一个MLP对其进行分类。

3.2 Invariance to geometric transformations

为了解决Invariance to geometric transformations的问题，网络提出使用矩阵相乘的方式对输入点进行坐标变化，将不同的数据变换到相同的坐标系下，即实现对齐，变换所用的矩阵由一个T-Net学习得到，该网络的输入是所有样本点，并根据这些样本点返回对应的变换矩阵。网络在输入层和特征提取层中都添加了T-Net来进行对齐。

以下是PointNet点云分类网络的整体结构。

对于分割任务来说，仅仅利用点云的global feature是不够的，对于单个点的分类需要结合该点的local feature和点云的global feature，才能充分利用信息，下图是PointNet的分割网络结构。可以看到该网络将每个点的中间局部特征和MaxPooling后得到全局特征做组合，再经过MLP进行逐点分类。

4. 网络的缺陷

PointNet能够很好地解决点云无序、旋转不变性的问题，但是在提取特征的过程中是单独提取每个点的特征再使用pooling整合，忽略了局部特征的提取。