【3D计算机视觉】3P-RNN实现点云场景分割

《3D Recurrent Neural Networks with Context Fusion for Point Cloud Semantic Segmentation》论文笔记

一、论文摘要

基于3D点云的语义分割是一个非常开放的话题，基于神经网络的3D语义分割很难实现是因为3D点云所包含的内容信息太少。该论文作者构建了一个新的3P-RNN来实现点云的语义分割（之所以叫3P是因为其中有一个关键的步骤叫作Pointwise Pyramid Pooling）。首先，论文构建了一个高效的金字塔池化模型（pyramid pooling module）来提取3D点云的局部信息，再通过一个双向的RNN提取空间的点云全局依赖性。两个RNN通过不同的方向扫描3D空间提取信息，最终达到良好的3D语义分割的效果。

二、模型概述

以往的3D语义分割都现将3D点云体素化（voxelization），但是由于3D点云的稀疏性，体素化往往会导致很大的计算量。但自从Pointnet的出现，点云数据可以直接放入网络进行训练。Pointnet首先通过多层网络将原本三维的点云数据扩充到1024维，再通过一个对称函数max pooling使得其提取到全局的信息。但Pointnet同样在进行复杂点云的语义分割时具有许多的局限性：第一，其在max pooling的时候只考虑到了全局的信息（虽然后面Pointnet++中有部分解决这个问题，但是繁杂的步骤使其计算量很大）；第二，其没有考虑到邻近点云的相互关系。（例如椅子总是贴近桌子等）作者针对第一个问题建立了一个金字塔池化模型（其利用的多步长的单窗口池化），而面对第二个问题其利用了一个双向RNN捕捉邻近点之间的关系（即对堆叠的feature map以x和y两个方向构建RNN网络）。

三、3P模型

作者在点云数据的处理上依然沿用了Pointnet的方法。简要来说，pointnet就是对点云数据逐个点的提取特征，经过了一系列的MLP（多层网络感知器），将本来三维的点云数据 $(n,x_i,y_i,z_i)$（n是点云中点的个数）映射到1024维的空间中 $(n,1024)$，再通过一个对称的运算maxpooling提取其点云的全局信息将其压缩至 $(1,1024)$。其具体的公式可以由下述公式表示：

$F (p_1 ,p_2 ,...,p_N ) =\mathop{MLP}\limits_{i=1,...,N}(C(maxpool(\mathop{MLP}\limits_{i=1,...,N}(p_i )),\mathop{MLP}\limits_{i=1,...,N}(p_i )))$

其中C是channel通道的拼接操作，从1:N也能看出逐点计算特征。

在Pointnet出现后，有很多的网络试图改善其没有办法获取局部特征的缺陷——例如Pointnet++，首先选取一些比较重要的点作为每一个局部区域的中心点，然后在这些中心点的周围选取k个近邻点（欧式距离的近邻），再将k个近邻点作为一个局部点云采用pointnet网络来提取特征。其虽然有作用，但是却十分地繁杂并很耗费计算量，而本篇作者提出了一个逐点的金字塔池化模型（Pointwise Pyramid Pooling，简称3P）。

3P的表达式如下：

$P (p 1 ,p 2 ,...p N ) = [\mathop{maxpool}\limits_{p=p_{1} ,...,p_N}(f,k_1 ),..., \mathop{maxpool}\limits_{p=p_1 ,...,p_N}(f,k m )]$

其中 $k_i$表示步长为1的不同尺寸的maxpooling的窗口大小， $f$表示经过MLP的高维点云特征

作者认为以往stride大于1的pooling其主要目的在于压缩特征，故会损失掉很多有用的信息。作者的处理方法简单却有效，就是用了不同尺寸的步长为1的maxpooling来进行这一步对称运算。然后将其得到的特征再拼接起来形成新的特征输入后面的网络中（在实验中作者采用的pooling size是N,N/8和N/64）。其主要的优点在于没有在这些pooling操作中不需要训练参数，因此速度非常得快，效果也不错。

这里还需要解释一下其pyramid pooling和Pointnet中pooling的区别，可以先看下图（Pointnet的结构图），在Pointnet中，池化的作用实际上是将N个点云中的点的高维特征 $(N,D)$在N的维度上进行了max pooling，输出的结果是 $(1,D)$，其作用是归纳全局特征；而在3P模型中，由于步长是1，其max pooling是在D的维度上进行的，输出的结果是 $(N,F_1+F_2+F_3)$，其中 $F_i$是经过了第 $i$个尺寸的步长为1的max pooling后的某个点的高维特征的长度，最后再将这些不同尺寸的pooling的结果拼接起来，就形成了一个新的3D数据。因此它的作用对应的是Pointnet++中利用不同尺寸的k近邻归纳局部特征的那一步，而并非全局特征。

四、双向RNN

经过了3P模块后，输入3P前的全局特征先通过拼接的方法和3P模块的输出结果（局部特征）进行拼接，这一步其实相当于在3P模块中加入了一个尺寸为1的步长为1的max pooling。

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输入RNN的其实是一个2D的数据（不要被图中的cubic误导了，垂直方向并没有一个维度），其分别有两个方向的维度 $(L_x,L_y)$,其中 $L_x$是经过不同尺寸的池化后的局部特征与全局特征拼接的那个维度，维度是 $F_1+F_2+F_3+D$； $L_y$是不同点云点拼接的那个维度，其长度为N，然后作者首先将X维度的每个X（一个点的全局加局部特征总和的sequence）作为一个输入，Y维度作为time step方向训练一次LSTM，再将结果用同样的方法在垂直方向上训练一次。最后的输出再与一开始的全局特征拼接一次，然后输入进MLP去预测N个点每一个点的类别，进行场景分割。

五、实验结果

从实验结果看了，在所有数据集上都表现良好，远超原版的Pointnet和Pointnet++：