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PointNet：利用深度学习对点云进行3D分类和语义分割
参考自，PointNet: Deep Learning on Point Sets for 3D Classification and Segmentation
代码仓库地址为：https://github.com/charlesq34/pointnet/
介绍
这次介绍的是一个比较基础的工作，针对空间点云，进行分类或者语义分割的框架，现在通常也被用作对RGB-D图像进行特征提取的部分。
该工作的目的就是，输入点云信息，得到每一个点的语义，或者是得到整个点云代表的物体信息。
如上图所示，该工作可以对点云数据进行分类，语义分割，部分分割等。
具体细节
首先，我们假设点云为一系列点的集合，记为 { P 1 , P 2 , . . . , P n } \{P_1, P_2, ...,P_n\} {P1,P2,...,Pn}
每一个点，都有坐标 ( x , y , z ) (x,y,z) (x,y,z)，以及代表色彩的通道值，如果是rgb，那就是3个通道的值
这里直接给出整个PointNet的结构图
我们首先来看蓝色背景的部分，代表一个分类网络，输入是一个 n × 3 n\times 3 n×3 的点云信息，其中 n n n 是点的数目， 3 3 3 代表着空间坐标的维度
最终输出一个 k k k 维的分数，代表对 k k k 个物体的分类置信度。
我们来仔细看一下处理的过程：
1. Input Transform
这一部分由一个T-Net和矩阵乘法构成，最终输出的形状还是 n × 3 n\times 3 n×3
通过分析其代码，可以知道，该T-Net由3个卷积层，1个最大池化层以及2个线性层组合而成
最终输出一个 3 × 3 3\times 3 3×3 的变换矩阵，然后右乘上输入（输入的形状是 n × 3 n\times 3 n×3 ）得到 n × 3 n\times 3 n×3 的输出
直觉上看，就是用一个小的网络学习一个线性变换，对输入的点云做处理
2. MLP
代码中使用的是两个卷积层：
- 先用一个 1 × 3 1\times 3 1×3 的卷积，输出通道数为 64 64 64
- 然后是一个 1 × 1 1\times 1 1×1 的卷积，输出通道也是 64 64 64
所以最终的输出是 n × 64 n\times 64 n×64 的形状
3. Feature Transform
和先前一样，用T-Net输出一个 64 × 64 64\times 64 64×64 的线性变换矩阵右乘上去
4. MLP
用三个 1 × 1 1\times1 1×1 的卷积，将通道数直接提升到了 1024 1024 1024，输出的形状也就是 n × 1024 n\times 1024 n×1024
本质上和线性层是一样的
5. MaxPool
过一个MaxPool，kernel大小设置成 1 × n 1\times n 1×n ，直接得到一个 1024 1024 1024 维的特征向量
6. MLP
最后直接用三个线性层，将输出转换成 k k k 维的分类置信度
语义分割的细节
这里合并了两个特征，形状分别是 n × 64 n\times 64 n×64 和 1024 1024 1024
将 1024 1024 1024 长度的特征向量复制 n n n 次，接在 64 64 64 维的向量后面，便得到 n × 1088 n\times 1088 n×1088 的输出
过一系列MLP，最终输出 n × m n \times m n×m 形状的矩阵， m m m 代表语义分割的类别
实验分析
物体分类
首先是在ModelNet40数据集上分类的准确率
基本上在3D输入上达到了SOTA的性能，整体正确率为89.2%。
语义分割
可以看到，比起3D全卷积的baseline，mIoU也是达到SOTA的性能