深度学习论文导航 | 12 PointNet：深度学习在3D点云分类与分割上的应用

一时失言乱红尘 2023-02-25 09:00 15阅读 0赞

> 大家好！我是【AI 菌】，一枚爱弹吉他的程序员。我`热爱AI、热爱分享、热爱开源`！ 这博客是我对学习的一点总结与思考。如果您也对 `深度学习、机器视觉、数据结构与算法、编程` 等感兴趣，可以关注我的动态，我们一起学习，一起进步~  
> 我的博客地址为：[【AI 菌】的博客][AI]  
> 我的Github项目地址是：[【AI 菌】的Github][AI _Github]

**资源传送门：**  
原论文地址：[PointNet: Deep Learning on Point Sets for 3D Classification and Segmentation][PointNet_ Deep Learning on Point Sets for 3D Classification and Segmentation]  
开源项目地址：[TensorFlow1.0实现][TensorFlow1.0] 、[PyTorch1.0实现][PyTorch1.0]

### 文章目录 ###

*   *  1. PointNet简介
     *  2. 提出背景
     *  3. 网络结构
     *  4. 模型的特点
     *  5. 理论分析
     *  6. 性能与效果

--------------------

## 1. PointNet简介 ##

PointNet，由斯坦福大学的Charles R. Qi等人在**CVPR2017**上发表，是一个**端对端**的神经网络，可以直接将**点云数据**作为输入，通过学习，实现对3D点云数据目标的**分类与分割**。

点云是一种重要的几何数据结构。由于其格式不规则，大多数研究人员将这些数据转换为规则的三维体素网格或图像，以便于通过深度学习中的卷积操作进行权值共享、优化kernel参数等。但是，这会使得数据变得不必要的庞大，并导致一些问题。

PointNet的效果很好，并且对输入的扰动等具有很好的鲁棒性，它的表现性能达到了当时最先进的水平。PointNet的三个重要应用方面如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## 2. 提出背景 ##

从数据结构的角度来看，点云是一组无序的向量。虽然深度学习的大部分工作都集中在常规的输入表示上，如序列（语音和语言处理）、图像和体积（视频或三维数据），但在点云的深度学习方面却做得很少。这主要是因为点云具有三个特征：**无序性、稀疏性、信息量有限**。

Oriol Vinyals等人最近的一项工作研究了这个问题。他们使用**带注意机制**的读写网络来输入无序的集合，并显示他们的网络具有对数字排序的能力。在欧式空间中的点云集合具有三个特点：

1.  **无序性**。点云是一组没有特定顺序的点。
2.  **点之间的相互作用**。这些点来自具有距离度量的空间，这意味着点不是孤立的，相邻的点可以形成一个有意义的子集。因此，模型需要能够从邻近点捕捉局部结构，以及局部结构之间的相互作用。
3.  **变换下的不变性**。比如点云整体的旋转和平移不应该影响它的分类或者分割。

## 3. 网络结构 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
输入是包含n个点的三维点云(x, y, z) , 原始数据通过一个**3D 空间变换矩阵预测网络** T-Net(3)，估计出3x3的变换矩阵T(3) 并作用在原始数据上，实现数据的对齐。对齐后的数据会以点为单位，通过一个共享参数的双层**感知机模型mlp**进行特征提取 。每个点提取出64维的特征，再通过特征空间变换矩阵预测网络 T-Net(64) 预测64x64的变换矩阵，作用到特征上，实现对特征的对齐。然后继续利用三层感知机（64,128,1024）进行以特征点为单位的特征提取，直到把特征的维度变为**1024**，继而在特征空间的维度上进行Max Pooling，提取出点云的**全局特征向量**global feature。

1.  一方面，全局特征向量经过三层感知机模型，得到k分类输出，实现k分类任务。
2.  另一方面，全局特征向量与前面的64维特征向量concat，通过三层感知机模型得到128维的点特征**point features**，再经过两层感知机模型，得到n\*m的特征向量。n表示输入点的个数，m表示每个点所属的类别信息，从而完成分割任务。

## 4. 模型的特点 ##

**无序输入的对称函数**。为了使模型对输入排列保持不变性，有三种策略：1）将输入按规范顺序排序；2）将输入视为训练RNN的序列，但通过各种置换来扩充训练数据；3）使用简单的对称函数来聚合每个点的信息。这里，一个对称函数以n个向量作为输入，并输出一个新的向量，该向量与输入顺序不变。例如，+和\*运算符是对称的二进制函数。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

用一个多层感知器网络来近似h，用一个单变量函数和一个最大池函数的组合来近似g。实验证明这种方法很有效。通过h的集合，我们可以学习一些f来捕捉集合的不同性质。

**局部和全局信息融合**。点分割需要结合局部和全局知识。具体做法是：在计算出全局点云特征向量后，将全局特征与每个点特征连接起来，然后，基于合并的点特征通过3层mlp提取新的逐点特征，提取出的每点特征能同时感知局部和全局信息。

**连结对齐网络**。如果点云经过一定的几何变换，如刚性变换，则点云的语义标注必须是不变的。因此，我们期望由我们的点集学习的表示对这些变换是不变的。我们通过一个小型网络**T-Net**预测仿射变换矩阵，并将此变换直接应用于输入点的坐标。小网络本身类似于大网络，由点无关特征提取、最大池和全连通层等基本模块组成。  
这种思想还可以进一步扩展到特征空间的对齐。我们可以在点特征上插入另一个对齐网络，并预测一个特征转换矩阵来对齐来自不同输入点云的特征。然而，特征空间中的变换矩阵维数远高于空间变换矩阵，这大大增加了优化的难度。因此，我们在softmax训练损失中添加了一个正则化项。我们将特征变换矩阵约束为接近正交矩阵：  
![在这里插入图片描述][20200712141142874.png_pic_center]其中A是由小型网络预测的特征对齐矩阵。正交变换不会丢失输入中的信息，因此是需要的。我们发现通过加入正则化项，优化变得更加稳定，我们的模型获得了更好的性能。

## 5. 理论分析 ##

1.  证明了神经网络对连续集函数的普遍逼近能力。通过集合函数的连续性，直观地看，对输入点集的一个小扰动不应使函数值发生很大的变化，如分类或分割得分。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

1.  定理2(a)说明对于任何输入数据集，都存在一个关键集和一个最大集，使得对和之间的任何集合，其网络输出都和一样。这也就是说，模型对输入数据在有噪声和有数据损坏的情况都是鲁棒的。
2.  定理2(b)说明了关键集的数据多少由maxpooling操作输出数据的维度K给出上界（框架图中为1024）。个角度来讲，PointNet能够总结出表示某类物体形状的关键点，基于这些关键点PointNet能够判别物体的类别。这样的能力决定了PointNet对噪声和数据缺失的鲁棒性。  
    ![在这里插入图片描述][20200712142316577.png_pic_center]

## 6. 性能与效果 ##

1.  **3D Object Classification** 。在ModelNet40形状分类基准上评估模型，该数据集有12311个CAD模型，来自40个人造目标的类别，9843个数据作为训练集，2468个数据作为测试集。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]
2.  **3D Object Part Segmentation**。部件分割是一项具有挑战性的细粒度三维识别任务。给定3D扫描或网格模型，任务是为每个点或面指定部件类别标签（例如椅子腿、杯柄）。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]
3.  **Semantic Segmentation in Scenes**。零部件分割网络可以很容易地扩展到语义场景分割，其中点标签变成语义目标类，而不是对象部分标签。  
    ![在这里插入图片描述][20200712143752779.png_pic_center]  
    室内场景的目标分割效果：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

--------------------

最好的关系是**互相成就**，各位的「三连」就是【AI 菌】创作的最大动力，我们下期见！

[AI]: https://blog.csdn.net/wjinjie
[AI _Github]: https://github.com/Keyird
[PointNet_ Deep Learning on Point Sets for 3D Classification and Segmentation]: https://arxiv.org/pdf/1612.00593.pdf
[TensorFlow1.0]: https://github.com/charlesq34/pointnet
[PyTorch1.0]: https://github.com/fxia22/pointnet.pytorch
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20230209/bc0204e26be048b488bca9d827a4f7cf.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20230209/4452ec8822fa433397068ed5a00ba9c3.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20230209/ad5a88e9ed324f9d9bf0dae8851c611c.png
[20200712141142874.png_pic_center]: /images/20230209/3f19aa5769ce4ec8a3b39a3829fd19ab.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: /images/20230209/b87d9ff24dce4031855651ce25db9b4a.png
[20200712142316577.png_pic_center]: /images/20230209/4be0cb5b7cca480581845e98e8a978fb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]: /images/20230209/fb2fa4abe9aa45cc9440d3c92962a787.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]: /images/20230209/202bb739ea0449169648a4d24670d9ae.png
[20200712143752779.png_pic_center]: /images/20230209/cc3dce4c4b7d45fb995a9246968bdf52.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]: /images/20230209/4638a960d559400c85690820cd66cdeb.png