Pointnet/Pointnet++学习

一、点云的应用
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二、点云的表述

三、Pointnet

四、Pointnet++

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Pointnet++概述
虽然这篇文章叫PointNet++，但和PointNet相比还是有很大的改进。文章非常核心的一点就是提出了多层次特征提取结构。具体来说就是先在输入点集中选择一些点作为中心点，然后围绕每个中心点选择周围的点组成一个区域，之后每个区域作为PointNet的一个输入样本，得到一组特征，这个特征就是这个区域的特征。之后中心点不变，扩大区域，把上一步得到的那些特征作为输入送入PointNet，以此类推，这个过程就是不断的提取局部特征，然后扩大局部范围，最后得到一组全局的特征，然后进行分类。文章中还提出了多尺度的方法解决样本不均匀的问题，这些方法对于分类的精度没有贡献，但在样本很稀疏的时候的确能让模型更有鲁棒性。

1. Abstract

PointNet存在的一个缺点是无法获得局部特征，这使得它很难对复杂场景进行分析。在PointNet++中，作者通过两个主要的方法来进行改进，使得网络能更好的提取局部特征。第一，利用空间距离（metric space distances），使用PointNet对点集局部区域进行特征迭代提取，使其能够学到局部尺度越来越大的特征。第二，由于点集分布很多时候是不均匀的，如果默认是均匀的，会使得网络性能变差，所以作者提出了一种自适应密度的特征提取方法。通过以上两种方法，能够更高效的学习特征，也更有鲁棒性。

2. Introduction

在PointNet++中，作者利用所在空间的距离度量将点集划分（partition）为有重叠的局部区域（可以理解为patch）。在此基础上，首先在小范围中从几何结构中提取局部特征（浅层特征），然后扩大范围，在这些局部特征的基础上提取更高层次的特征，知道提取到整个点集的全局特征。可以发现，这个过程和CNN网络的特征提取过程类似，首先提取低级别的特征，随着感受野的增大，提取的特征level越来越高。

PointNet++需要解决两个关键的问题：第一，如何将点集划分为不同的区域；第二，如何利用特征提取器获取不同区域的局部特征。这两个问题实际上是相关的，要想通过特征提取器来对不同的区域进行特征提取，需要每个分区具有相同的结构。这里同样可以类比CNN来理解，在CNN中，卷积块作为基本的特征提取器，对应的区域都是n*n的像素区域。而在3D点集当中，同样需要找到结构相同的子区域，和对应的区域特征提取器。

在本文中，作者使用了PointNet作为特征提取器，另外一个问题就是如何来划分点集从而产生结构相同的区域。作者使用邻域球球来定义分区，或者也可以叫做patch，每个区域可以通过中心坐标和半径来确定。中心坐标的选取，作者使用了快速采样算法来完成（farthest point sampling (FPS) algorithm）。区域半径的选择是一个比较有挑战性的事情，因为输入点集是不均匀的，同时区域特征会存在重叠或被遗忘的情况。尽管在VGG当中提到，CNN使用小的卷积核效果比较好，但这是由于图像是网格化的，每个区域是非常规整的，如果再PointNet++使用小的半径，网络性能反而很差。这里可以从直观上想象一下，邻域球过小，可能意味着可能看不到足够完整的局部特征。这个过程也可是使用KNN实现。

3. 网络结构

PointNet++是PointNet的延伸，在PointNet的基础上加入了多层次结构（hierarchical structure），使得网络能够在越来越大的区域上提供更高级别的特征。

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网络的每一组set abstraction layers主要包括3个部分：Sampling layer, Grouping layer and PointNet layer。

·Sample layer：主要是对输入点进行采样，在这些点中选出若干个中心点（问题：怎么选，选多少个点？）
Grouping layer：是利用上一步得到的中心点将点集划分成若干个区域；
PointNet layer：是对上述得到的每个区域进行编码，变成特征向量。

每一组提取层的输入是N*(d + C)，其中N是输入点的数量，d是坐标维度，C是特征维度。输出是N’*(d + C’)，其中N’是输出点的数量，d是坐标维度不变，C’是新的特征维度。下面详细介绍每一层的作用及实现过程。

1). Sample layer

使用farthest point sampling选择N’个点，至于为什么选择使用这种方法选择点，文中提到相比于随机采样，这种方法能更好的的覆盖整个点集。具体选择多少个中心点，数量怎么确定，是由人来指定的。

2). Grouping layer

这一层使用Ball query方法生成N’个局部区域，根据论文中的意思，这里有两个变量，一个是每个区域中点的数量K，另一个是球的半径。这里半径应该是占主导的，会在某个半径的球内找点，上限是K。球的半径和每个区域中点的数量都是人指定的。这一步也可以使用KNN来进行，而且两者的对于结果的影响并不大。

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3). PointNet layer

这一层是PointNet，接受N’×K×(d+C)的输入。输出是N’×(d+C)。需要注意的是，在输入到网络之前，会把该区域中的点变成围绕中心点的相对坐标。作者提到，这样做能够获取点与点之间的关系（对这一点存疑，但感觉有限像Batch Norm？）。

4). 对于非均匀点云的处理方法

点云不均匀时，每个子区域中如果在分区的时候使用相同的球半径，会导致有些稀疏区域采样点过小。这个地方插一点自己的想法，从一个角度来看，点云的疏密程度是不是可以看做样本属性的一部分？从这个意义上来讲这就不是一个需要克服的缺点。如果担心某些区域采样点过小，是否可以加一个阈值下限。

作者提到这个问题需要解决，并且提出了两个方法：Multi-scale grouping (MSG) and Multi-resolution grouping (MRG)。下面是论文当中的示意图。

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下面分别介绍一下这两种方法。第一种多尺度分组（MSG），对于同一个中心点，如果使用3个不同尺度的话，就分别找围绕每个中心点画3个区域，每个区域的半径及里面的点的个数不同。对于同一个中心点来说，不同尺度的区域送入不同的PointNet进行特征提取，之后concat，作为这个中心点的特征。也就是说MSG实际上相当于并联了多个hierarchical structure，每个结构中心点数量一样，但是区域范围不同（可以理解成感受野？），PointNet的输入和输出尺寸也不同，然后几个不同尺度的结构在PointNet有一个Concat。
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另一种是多分辨率分组（MRG)。MSG很明显会影响降低运算速度，所以提出了MRG，这种方法应该是对不同level的grouping做了一个concat，但是由于尺度不同，对于low level的先放入一个pointnet进行处理再和high level的进行concat。感觉和ResNet中的跳连接有点类似。

在这部分，作者还提到了一种random input dropout（DP）的方法，就是在输入到点云之前，对点集进行随机的Dropout,比例使用了95%，也就是说进行95%的重新采样。某种程度有点像数据增强，也是提高模型的robustness。那这些方法效果怎么样呢，我们一起来看一下。

从论文中的这幅分类实验结果图可以看出来，多尺度（MSG,MRG)和单一尺度相比（SSG）对分类的准确率没有什么提升，有一个好处是如果点云很稀疏的话，使用MSG可以保持很好的robustness。对于robustness效果random input dropout（DP）其实贡献更大。

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从论文中的分割实验结果看，使用（MSG+DP）之后的确是比SSG结果提升了，在非均匀点云上差距会大一点，但是作者并没有给出MSG和DP对于效果提升单独的贡献对比，所以我们很难确定到底是MSG还是DP在这其中起作用了。

4. 通过代码理解核心结构

通过核心代码来理解一下PointNet++中的hierarchical structure（也叫set abstraction layers）到底是这怎工作的，上图是3层set abstraction layers（以SSG（单一尺度）为例）。

我们以第一层set abstraction layers为例解释一下，对应line9代码（PointNet Set Abstraction (SA) Module）。假设输入点云数据是（16,1024,3），也就是一个样本1024个点，只有xyz坐标。把它送入到第一层set abstraction layers。设置的参数：

l0_xyz： <只包含坐标的点> l0_points： <不仅包含坐标，还包含了每个点经过之前层后提取的特征，所以第一层没有>
npoint = 512： <Sample layer找512个点作为中心点，这个手工选择的，靠经验或者说靠实验>
radius=0.2： <Grouping layer中ball quary的球半径是0.2，注意这是坐标归一化后的尺度>
nsample=32： <围绕每个中心点在指定半径球内进行采样，上限是32个；半径占主导> mlp=[64,64,128]：<PointNet layer有3层，特征维度变化分别是64,64,128> #还有别的参数，不太要紧，这里去掉不说

进一步看一下每一层是怎么实现的，重点看数据的传递形式。

SA(512,0.2,[64,64,128]) -> SA(128,0.4,[128,128,256]) -> SA([256,512,1024]) ->
FC1 -> FC2 -> FC(K)

数据首先进行sampling 和 grouping,对应下面代码，看一下这个函数如何实现。

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这个函数输入就是上面传进来的，解释一下输出。

new_xyz: 经过sampling后，得到的512个中心点的坐标 idx：是每个区域内点的索引
grouped_xyz：分组后的点集，是一个四维向量（batch_size, 512个区域，每个区域的32个点，每个点3个坐标）
new_points：也是就是分组后的点集，不过里面存的是特征，如果是第一次，就等于grouped_xyz，可以选择在卷积的时候把坐标和特征进行concat后卷积。

采样之后很重要的一点是分区，就是上面这个两个函数，如果是使用KNN分区，因为只是取每个中心点周围的固定个数的点（即上面提到的32），idx就是这些坐标的索引，点的个数就是（32*512），可以发现，原始点云是1024个，这样就必然会导致区域重叠，没关系，这是需要的效果。

ball query后得到的是idx,和pts_cnt，因为是优先根据radius分区，每个区域的点的数量是不确定的（最大32），所以pts_count就是计数的，每个区域有多少个点，方便把idx分开。

下图是ball query(a)和KNN(b)的示意图，一个是半径为主，一个是只看点的数量。

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得到每个区域的点的索引后分组，结果是一个四位向量（batch_size, 512个区域，每个区域的32个点，每个点3个坐标），如下图。这里感觉有个漏洞，如果是用ball query得到的，每组的点的个数不是32，但这里又没有传入pts_cnt的值，那又是怎么知道如何分配idx？
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下面来看PointNet层

grouping后的点集进行卷积，可以注意一下，我们上面已经说过，new_points是一个4维向量<（batch_size，512, 32, 3）——（batch_size, 512个区域，每个区域的32个点，每个点对应的特征）>512个区域，每个区域32个点。每个区域的32个点经过PointNet的卷积核池化，整合成一组特征，这一组特征就属于每个区域的中心点。

参考文献：https://zhuanlan.zhihu.com/p/88238420

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