3D检测入门知识梳理

Brief

 昨晚组会师兄把我分配到了做3D检测，所以接下来的一段时间先对3D检测的研究做一下梳理。先挖一个坑，后续慢慢填。

1 基本处理方法

1.1 激光

 CVPR2018年的一篇文章Voxlnet，直接处理激光点云，将点云在空间上划分为均匀的voxel，再把不同的voxel点云提取Voxel Feature Encoding对物体进行分类和位置回归。具体的研读看这里

1.2单目相机

 YOLO3D将3D检测通过2D的YOLOV2模型来扩展延伸。

1.3 激光+单目相机

2 研究问题

2.1 3DBBox

 理论上3DBBox会含有9个自由度。分别是：
描 述 形 状 ： { L , W , H } 描 述 位 置 ： { X , W , Z } 描 述 旋 转 角 : { Y a w , p i t c h , r o l l } 描述形状：\{L,W,H\}\\描述位置：\{X,W,Z\}\\描述旋转角:\{Yaw,pitch,roll\} 描述形状：{L,W,H}描述位置：{X,W,Z}描述旋转角:{Yaw,pitch,roll}
但是我们存在先验知识：地面是水平的，所以一般就可以少去描述位置的Z的变量和旋转角的$pitch和roll$，因此变成如下的6个自由度：
描 述 形 状 ： { L , W , H } 描 述 位 置 ： { X , W , 0 } 描 述 旋 转 角 : { Y a w , 0 , 0 } 描述形状：\{L,W,H\}\\描述位置：\{X,W,0\}\\描述旋转角:\{Yaw,0,0\} 描述形状：{L,W,H}描述位置：{X,W,0}描述旋转角:{Yaw,0,0}所以3D检测的位置回归是一个6D的预测回归问题。

2.2 目前存在的数据集

• Jura
• Pascal3D+
• LINEMOD
• KITTI

2.3主要难点

• 遮挡问题：目标相互遮挡或者目标被背景遮挡。
• 截断： 只有物体的一部分
• 小目标
• 旋转角度的学习：物体的朝向不同，但是对应的特征相同。

2.4 主要方法

2.4.1 SSD-6D

待填坑

2.4.2 3D Bounding Box Estimation Using Deep Learning and Geometry

2.4.3 Implicit 3D Orientation Learning for 6D Object Detection from RGB Images

 上面的几篇文章都是重点在2D图像或者单目结合激光学习6D的姿态，数据来源和我要做的貌似有点出入，我要做的是基于点云的3D检测，因此后续继续挖坑。

3 Survey of object classification and detection based on 2D/3D data

Brief

 这是CVPR-wrokshop上的一篇总结。站在大佬的肩膀上看世界，看看最新的研究进展和发展。文章指出5点3D视觉比2D视觉更加复杂的原因：

• 3D数据的表达多种形式，例如电云和mesh结构，但是2D只有像素格子。
• 计算和内存复杂度都要求更多，更复杂
• 室内，室外的数据分布特征使得一个统一的结构很难运作
• 3D数据，尤其是室外场景，其具有的稀疏性使得检测任务很难做。
• 3D有监督的数据很少，使得学习任务非常困难

3.1 3D data-sets for object detection

• NYU Depth Dataset V2 : has 1449 densely labeled pairs of aligned RGB and depth images from Kinect video sequences for a variety of indoor scenes.
• SUN-RGBD dataset: RGB-D images
• KITTI

3.2 阶段性方法对比

如下图所示的内容，除去19年薪的内容，经典的文章可以如下：

主要可以分为two-stage和three-stage，果然维度提升一维，难度加大的不是一点点。

3.2.1 3D bounding box 编码方式

按照输入的数据，把目前3D-detection的文章分类如下；一般来讲，只使用2维数据（单目和立体的数据）的效果并没有结合3维数据的好。

下图表示了目前几种主流（除去19年）的3D检测的方法的Bbox和proposals 生成方法的对比：

4 较新论文阅读

4.1 [19年8月10号-19年8月24号]学习填坑总结

由于明天要做小组汇报，所以今天先总结一下这两周在3D检测方面的进展，除去一些帮娜姐和师兄做事的时间，真正在点云上花的功夫估计只有8天左右，趁还没开学，下次加油。那么我把这次的总结按照如下两部分进行吧。

• 论文阅读和总结
• 思考与探索

4.1.1 论文阅读与总结

主要有voxelnet，F-pointnet，pointRCNN 和 pointpollars 这四篇文章。下面分别贴一些主要的图来说明其主要做法和问题。

voxelNet

如图所示，voxelNet的过程分为3的步骤，分别是：VFE特征提取，3D卷积和RPN预测。本文第一篇使用自学特征做检测，不是采用的手工特征。并且仅仅只用了点云输出。
（1）文章最大的亮点在VFE层，其实结构就是Pointnet,但是却采用了一个voxel中所有数据的整合。最后得到每一个voxel都具有128维度特征的voxel-wise结构。后续就是一个3D卷积和维度融合成二维卷积，再在二维上做RPN操作。
（2）另外一个亮点是在VFE层中计算时先进行升维操作（很多在这篇文章上的后续工作都跟进了这一操作，也就是局部信息和全局坐标结合变成7个维度的特征）。
（3）但是需要提出的问题依旧是两点：第一点，3D卷积的操作实则是一个很鸡肋的东西，在voxel中对每个voxel的特征的提取实则不能做到很好的效果。第二点，anchor-based的方法还是比较耗时间的，而且3D卷积尤其如是。这里的proposals没有任何先验就提来了，而后续的两片文章呢则是在proposal上做了不少文章。

F-pointnet

先说下一大体流程：
（1）采用2D优秀的检测方法对深度图的RGB进行检测出物体。
（2）根据检测出来的物体可以确定视锥，文章说的是根据投影关系确定的，所以也不用去考虑什么viewpoint这个无聊的问题。
（3）在视锥内的点进行实例分割，实际上也就是语义分割而已。采用的是一个pointnet的变种结构。这样就算是得到了对应的点。然后在做一次坐标变换，把中心点变换到坐标原点上去。
（4）采用一个T-NET对姿态进行调整，也就是旋转到gt类似的姿态;然后进行的是对size和angel的回归，作者采取了anchor的形式，多个size，多个angel。进行回归。值得注意的一点在于文章的corner-loss的使用。没有细看这个损失。

讲一下文章的贡献点吧：

• 采用原数据输入。。。文章的意思是没有使用voxel的方式吧。是anchor_free的方法。
• 坐标转化的使用，很重要，这一点也不算亮点，但是是个trick，后续的PointRCNN也是如此，多次坐标变换得到一个好的结果，我觉得后者就是借鉴了本文的坐标变换，如下图的第三个和第四个所示：

这里提前给一下pointRCNN的变换，下图所示，是不是也是移到中心，然后再正交对其。

• 贡献点，第三个是采用了一种策略去缩小proposal的范围，这就是那个voxel的存在的问题，满屏的anchor就很蠢。

那么依旧不足如下：

• F-PointNet假设一个frustum中只存在一个instance，这对一些密集区域的segmentation是不利的。
• 受到串行结构的影响，F-PointNet中3d box estimation的结果严重依赖于2d detection，并且RGB信息对整个结构是至关重要的。然而，图像受到光照以及前后遮挡的影响，会导致2d detector出现漏检的情况。
• 有的结构可能只能在3D中才能被看到，一些小的被遮挡住的。
• 阶段性过强，对2D的依赖太大。

PointRCNN

依旧先讲一下过程，两阶段法，很明确的proposals和RCNN两个阶段。
阶段一的过程：

（1）采用pointnet对每个点进行编码得到point-wise特征，随后同时进行两步操作，分割和生成候选框。
（2）分割。采用的方式也就是pointnet，不多说，这里会生成前景mask。
（3）generate proposals。每一个点首先都会生成一个box,但是不会去使用它，而是判断这个点是否在Gt的内部，如果是，那么我们就可以使用这个点的box做proposals；
（4）NMS删选出一些候选的BOX

阶段二：

（1）整合上述的特征，包括有point-wise features，坐标和深度补偿，mask。
（2）进一步对BOX筛选和回归。

优势点：

• 标准的两阶段，Pointnet+RCNN这个名字就是致敬。不过是anchor_free的方法。
• proposals也是相当于经过一定的先验再得到的，会比voxel满屏的anchor好很多。
• bin损失的使用，文章说了这样会比直接使用smoothL1要准确。
• 只采用点云作为输入，完完全全的使用了点云特征，也就是存在Pointnet-wise这个feature。以及各种的feature的大杂烩，但是没有使用局部算数平均值和offest是不是会更好一些。
• 变换坐标这个key-point吧。

不足：

• 每一个点都会开始存在一个proposals，而不是只对前景点。作者当然有考虑到这个问题，只是这样子会比较好计算吧，毕竟一个统一的batch。这倒可以结合voxel的那个采样的思想试一试。
• 大规模的输入，固定到16384个点，点多有点慢。没有采样之类的操作，当然这也是为了得到一个比较高的召回率。
• 一个两阶段法都要去思考的问题，时间比较长。

PointPillars

很清晰的三个阶段:

• 特征提取和转化到二维
• 2D CNN骨架网络提取2D特征
• 2D 检测

只说一下第一步：

如何把3D特征转化为2D图片呢？
（1）分柱子。把俯视图分成$H\times W$个小方格子，再沿着z轴向上拉就成了柱体。
（2）提特征。每个柱体中的点作为一个集合，采用和voxel一样的方式提取特征，最后采用最大池化为$[T,1,C]$
（3）转化为二维。因为$T=H\times W$，所以我们最后可以变化成$[H,W,C]$，这是啥，这不就是2D卷积的东西了吗。

优势：

• 又快又好，结构简单优雅。
• 利用了2D成熟的CNN
• anchor-free的方法，借鉴了前人voxelnet的方法，改进了他的3D卷积部分和后续。
• 巧妙的转换到2维度。

不足：

• Z轴的存在的特征缺失。

4.1.2 思考与探索

2D CNN的使用方法：

• 类似mv那种，使用对3D的投影得到其2维的图像，再使用2D CNN，这样做无疑是会出现信息损失的，另外呢，先把3D点云分割成若干个体素小块，再把点个数当做二维像素值，再使用2D CNN结构，这又只使用了密度信息，没有局部几何信息。都是不太好的。
• 第二种呢就是先对点的局部提取点特征（这都要归功于pointnet），然后在利用卷积进行处理；这里呢需要说的是voxelnet是第一篇提取局部特征后去做检测的，但是使用了3D voxel检测，后续再把深度信息和通道结合成一个维度，采用二维的RPN。这里最大的鸡肋就是这个3D CNN，后续有一篇sensors上的文章只改了这个3D CNN变成了 稀疏3D卷积的形式；这一篇PointPillars则是在这两篇文章的基础上做的，直接把3DCNN取消了，采用二维CNN接手后面的操作，虽然创新点不算特别亮眼，不过也着实巧妙。

就点云输入的研究热点

• anchor_free的方法，也就是研究如何经过一定的处理再提出proposals，就像是F-pointnet首先经过视锥缩小范围，PointRCNN首先进行一下前景分割，不过实际上每个点也是anchor；
• 把二维成熟的方法向着3维上靠。F-pointnet和voxelnet和pointpillars。PointRCNN的名字就来自二维。

一些重要的trick

• 旋转对其和坐标变换。在pointRCNN和F-pointnet都使用了的。
• 首先进行pointent编码，我觉得这个才是正确的点云使用方式，F-pointnet的后续开展肯定不多，而pointliarrs和voxelNet肯定会有更好的发展。
• 局部结构特征的使用，这里讲的是中心坐标和中心偏移量的使用。

可能有发展的Idea

• 各向异性卷积核的使用。

4.2汇报总结【19年9月9日——19年9月21日】

4.2.1 论文总结

4.2.1.1 GSPN

• 怎么生成ins的预测框

（1）预测一个对目标ins的中心
（2）对每一个预测的中心采取一个多尺度特征提取的方式进行特征提取。
（33）对提取到的特征和近似的分布进行采样联合生成一个bbox。

• 运用在检测中会有什么样的问题：

（1） 在训练时，展现的内容是KL-loss不收敛。
（2）研究了生成预测中心的loss，在实例分割中，随机采样的128个点都是有所属实例，因此存在着对应的GT,但是在Kitti数据集中，并不是所有点都有实例。因此网络需要密集采样，但是目前采样点数过多就会导致无法训练。

• 运用到目标检测上的尝试

（1）想要解决的问题：

• 根据提取到的特征结合分布信息（已经被嵌入了gt的分布信息）生成这样大小的size，就不用了根据不同大小设置不同size的anchor了。
• 可以同时做到多分类检测

（2）网络整体结构图可以如下所示：

（3）对代码中5中LOSS的理解，看个人理解的博客。

4.2.1.2 Attention pointnet

上面一篇GSPN的文章重点是在于对实例点的生成ins，但是运用到det的任务时就不能够采样到很多的gt的点，导致需要密集采样才可完成，这一篇文章是采用了GRU的attention，能够从$12\times 12$的区间中划分感兴趣的区域，这就可以解决上诉的采样的问题，作者把这个叫做attention的机制，是属于大场景下的找到目标的方式，结合 博客理解。

• 可以给我带来什么？

（1）上面的idea正是由于密集采样而导致了生成的问题，但是如果可以先粗略的attention这个所检测的物体上，那么我们就可以在这个小区域上进行采样生成
（2）难点：该文章的代码结合了ROS的rospy，需要进行一定的修改（小事情），不知道实际的效果如何。需要测试。

4.2.1.3 MEGV

这一篇 博客

• 文章主要做什么

（1）文章主要在nusense上做多目标检测，先分size再细每一个类别，目前还没有开源。
（2）算是第一篇做anchor-free的文章。

• 可以给我带来什么

（1）多分类的参考
（2）文章是属于标准的pointpillars那一套做法，划分网格，然后通过voxel提取特征，再转到二维进行RPN和多目标检测。

4.2.1.4 Fast Point R-CNN

也是很新的文章，同样是贾佳亚组的工作（上一篇的PointRCNN），写在博客这里

• 主要优点：

（1）在转到二维的时候采用的多尺度联合的方式。
（2）粗回归后又进行了原始点云的细回归。因为voxel会出现roi pooling的精度定位到网格上，因此网格个大小直接导致了回归的精度，作者就此采用了原始点云的输入进行refine。

4.2.2 思路整理

• 3D检测就是要就解决两个问题：定位和分类。

（1）第一个问题，分类，目前做了多目标检测的文章只有19年8月才放上arxiv上的class_blanced的MEGV，采用nuscence检测数据集，具体实现是采用了一个voxelnet的anchor方式，但是最后通过了对二维上的每一个voxel粗分类大致确定其size，然后再细分类得到对应的类别；此外其他我见过只采用lidar数据输入的文章只有单次训练一个类别，能不能通过voxelnet特征提取后，在最后的每一个二维的anchor上根据对应的特征生成一个box而不是回归，做到分类和回归同时做。
（2）第二个问题，回归，怎么定位一个目标在平面的区域呢？目前的3D的方法有一个系列（voxelnet）是通过满屏的anchor来把三维的降到二维，再对没也给二维中每一个voxel回归一个7维的定位信息（实际上就不是定位问题，而是一个回问题，这里并没有失去一个遍历的方式，全场景的anchor只有背景和不是背景，是前景的就在每一个anchor的位置回归7个维度的定位信息），这个系列的文章包括了（voxelnet,Second,pointpillars,包括pointrcnn和fastpointRCNN）后面两种方法实际上是采用了voxel特征提取的方式，但是自己的anchor是基于每一个中心点来提的，而faster_rcnn则更加回到voxelnet的方式，采用的结构更加类似，文章还采用所谓的attention（非常简单）；但是19年CVPR上有一篇文章：attention-pointnet，这一篇文章，采用GRU的方式直接对输入的点云块采取注意力的形式得到去想要得到的块，再通过坐标变换得到相应的旋转回归矩阵。还有一些不入流的方法，比如我觉得F-pointnet就算是一个，采用一种先减少候选区域的方法去生成proposals的方法，PointRCNN也有一点这样的想法，先通过场景语义分割得到对应的一些粗略的点。目前按照论文的数量来说，voxelnet系列是绝对占有的一种，其首先提取每一个anchor的三维特征，再通过网络降为成二维的anchor去预测训练的前景的概率和对应的回归的7个量，但是不得不说的一点是这样会存在信息的丢失，如何使得信息较少的丢失是一个问题？这里在fast_point_rcnn的多尺度结合应该会存在这个效果；但是依旧很大的问题，定位太依赖anchor，而不是区域中比较突出的特征去直接attention上，分类由于anchor在三维空间上的变化太大，这个系列都是通过固定size的形式，而不是采用生成的方式。

4.2.3 其他工作

• pointpillars 的kittiviewer:
  在web上的界面已经联通了，具体操作:

（1）在服务器端运行gui界面的代码：cd ./kittiviewer/frontend && python -m http.server
（2）在服务器运行后端加载处理程序：python main.py main（目前还有问题）
（3）在本地上连接并监听对应的端口：ssh -L 16666:127.0.0.1:8000 jty@192.168.190.212，然后在本地对应的浏览器上输入网址：http://127.0.0.1:16666/