CVPR2020 | PV-RCNN: 3D目標(biāo)檢測

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論文鏈接 (代碼鏈接在最后):https://arxiv.org/abs/1912.13192

我們先看看PV-RCNN 3D檢測框架的性能如何。說到底，做high-level的，大多數(shù)還得硬碰硬 （不然難免故事吹的天花亂墜，一跑AP只有0.5。。

1. 到目前為止，3D檢測算法上競爭最激烈的莫過于KITTI榜單了（近兩年每次DDL都能涌現(xiàn)很多新方法。。

我們是去年11月提交的PV-RCNN結(jié)果，大幅領(lǐng)先之前的SoTA算法，且保持第一大半年一直到現(xiàn)在（最近出現(xiàn)很多新方法，估計(jì)也該被別人擠下去了。。

2. 除了KITTI以外，自動駕駛業(yè)界巨頭Waymo也在去年release了超大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集Waymo Open Dataset。據(jù)我們所知，除了Waymo/Google以外，我們應(yīng)該是最早在Waymo數(shù)據(jù)集訓(xùn)練+測試的論文(之一)，同樣大幅領(lǐng)先了Waymo論文的算法：

3. 此外，Waymo還于CVPR2020舉辦了點(diǎn)云3D物體檢測等比賽，因?yàn)槲覀儎偤糜腥ツ晖陡錚V-RCNN時準(zhǔn)備的各種現(xiàn)成Waymo代碼（以及覬覦其豐厚的獎金233），所以就直接跑了一下。由于實(shí)驗(yàn)室機(jī)器有限，我們并沒有太多資源（與時間）投入到比賽中，我們提交的方法基本就是裸的論文原版PV-RCNN+一些簡單trick，在僅使用LiDAR點(diǎn)云作為輸入的情況下，我們最終取得了3D Detection、3D Tracking、Domain Adaptation三項(xiàng)比賽中單模態(tài)算法三項(xiàng)第一，所有（不限傳感器）算法三項(xiàng)第二。

在KITTI/Waymo上的出色性能，證明了我們PV-RCNN 3D檢測框架的有效性，接下來簡單介紹一些我們是怎么做的，以及為什么要這么做。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的稀疏性與不規(guī)則性，以及如何從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取特征

眾所周知，相比圖像，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的不規(guī)則性和稀疏性需要我們設(shè)計(jì)更特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)去點(diǎn)云中提取特征。我們一般采用下面兩種方式提取點(diǎn)云特征，一個是PointNet++[1]中提出的point-based Set Abstraction?(以及各種魔改版本SA)，另一個是轉(zhuǎn)化為規(guī)則voxel以后的voxel-based Sparse Convolution [2]。

這兩種方式各有各的優(yōu)點(diǎn)：

(1) SA在原始點(diǎn)云上做，保留了準(zhǔn)確的位置信息，且通過自定義球的半徑使得感受野更為靈活。

(2) Sparse conv在voxel上做，速度往往更快，并且在自動駕駛場景下結(jié)合anchor可以產(chǎn)生更高質(zhì)量的3D Proposal (室內(nèi)場景一般來講通過PointRCNN[3]中提出的anchor-free策略提Proposal更為高效且直觀)。

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為了綜合利用上面兩種特征提取操作各自的優(yōu)勢，我們就在考慮怎么能將這兩種點(diǎn)云特征提取算法深度結(jié)合到一個網(wǎng)絡(luò)中，提升網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)多樣性以及表征能力。從另一個方面講，我們之前一直專注于二階段的高性能3D網(wǎng)絡(luò)檢測框架（PointRCNN[3], PartA2-Net[4]），經(jīng)驗(yàn)告訴我們，在point上進(jìn)行3D RoI pooling比BEV map上效果更好（保留更精細(xì)的特征）。所以，怎么得到表征能力更強(qiáng)的point-wise特征，也是我們需要做的。

因此，我們接著考慮，怎么能將整個場景編碼到少量的keypoint上，用這些point-wise的keypoint特征來做第二階段的RoIPooling，也就是將其作為橋梁，來連接檢測框架的兩個階段。

然后我們就自然而然的關(guān)注到了Set Abstraction這個操作上了。在Set Abstraction的原本設(shè)計(jì)中，球中心的點(diǎn)是從整個點(diǎn)云中采樣出來的，其與周圍的點(diǎn)同宗同源，中心點(diǎn)的特征即通過球內(nèi)周圍點(diǎn)的特征聚合而來。然而，我們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)球中心點(diǎn)無需與周圍的點(diǎn)同宗同源，球中心點(diǎn)是可以任意給定的。所以，Set Abstraction本身就可以作為一個很好的操作，來結(jié)合上面兩種點(diǎn)云特征提取操作（球中心與周圍點(diǎn)可以分別來自于point與voxel）。

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有了上面的思路，還需要一些具體實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。簡單來講：

(1) 我們提出了Voxel Set Abstraction操作，將Sparse Convolution主干網(wǎng)絡(luò)中多個scale的sparse voxel及其特征投影回原始3D空間，然后將少量的keypoint (從點(diǎn)云中sample而來) 作為球中心，在每個scale上去聚合周圍的voxel-wise的特征。這個過程實(shí)際上結(jié)合了point-based和voxel-based兩種點(diǎn)云特征提取的結(jié)構(gòu)，同時將整個場景的multi-scale的信息聚合到了少量的關(guān)鍵點(diǎn)特征中，以便下一步的RoI-pooling。

(2) 我們提出了Predicted Keypoint Weighting模塊，通過從3D標(biāo)注框中獲取的免費(fèi)點(diǎn)云分割標(biāo)注，來更加凸顯前景關(guān)鍵點(diǎn)的特征，削弱背景關(guān)鍵點(diǎn)的特征。

(3) 進(jìn)一步，我們設(shè)計(jì)了更強(qiáng)的點(diǎn)云3D RoI Pooling操作，也就是我們提出的RoI-grid Pooling: 與前面不同，這次我們在每個RoI里面均勻的sample一些grid point，然后將grid point當(dāng)做球中心，去聚合周圍的keypoint的特征。這樣做的好處有兩個:

(1) 球半徑靈活，甚至可以包括proposal框外圍的關(guān)鍵點(diǎn)，從而獲取更多有效特征。

(2) 球互相覆蓋，每個keypoint可以被多個grid point使用，從而得到更緊密的RoI特征表達(dá)。另一方面，這其實(shí)也是另一個point (keypoint)與voxel (grid point)特征交互的過程。

通過Voxel-to-keypoint與keypoint-to-grid這兩個point-voxel特征交互的過程，顯著增強(qiáng)了PV-RCNN的結(jié)構(gòu)多樣性，使其可以從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)更多樣性的特征，來提升最終的3D檢測性能。

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前段時間我們release了一個通用3D檢測代碼庫，PCDet：https://github.com/sshaoshuai/PCDet

最近我們正在重新整理PCDet代碼庫，方便更好的進(jìn)行排列組合，同時包含更多的model與dataset。我們的PV-RCNN代碼也將于近期整合到PCDet中，敬請關(guān)注。

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最后簡單聊一下我覺得點(diǎn)云3D檢測還有哪些方向可以試一下。隨著越來越多優(yōu)秀的人涌入做基于點(diǎn)云的3D物體檢測，以及越來越多的開源codebase和數(shù)據(jù)集(KITTI, NuScenes, Waymo等)，3D物體檢測的性能在短短兩三年間已經(jīng)被提升了好幾個檔次。

從目前的情況來看，由于多sensor的同步等問題，純LiDAR的3D檢測算法受到追捧，且達(dá)到了媲美多sensor甚至更強(qiáng)的性能。但我們都知道點(diǎn)云3D物體檢測算法最大的應(yīng)用場景就是自動駕駛，其對可靠性要求很高。而LiDAR捕獲的點(diǎn)云場景包含更多的幾何信息，其語義信息遠(yuǎn)不如圖像，這使得純LiDAR感知算法經(jīng)常出現(xiàn)奇怪的誤檢，且由于點(diǎn)云的稀疏性導(dǎo)致純LiDAR檢測器能識別的類別有限。所以多模態(tài)的LiDAR+RGB結(jié)合的檢測算法從長遠(yuǎn)來看還是有很大的發(fā)展空間的。

而大部分人之所以醉心于純LiDAR 3D物體檢測，是因?yàn)榛贚iDAR+RGB的3D物體檢測算法面臨一些問題：

(1) 比如LiDAR點(diǎn)云和RGB圖像是來自于不同view的場景表征，如何融合兩者的特征？融合了特征又如何做檢測？之前也有一些方法探索了這個問題，但還沒看到比較優(yōu)雅的解決方案。

(2) 另一個問題是純LiDAR的3D物體感知可以做各種各樣的數(shù)據(jù)增強(qiáng)，比如將一個場景中的GT "copy"到另一個場景。而如果結(jié)合RGB圖像，"copy"的GT在RGB圖像上的特征如何處理，也是一個難解的問題。

另一方面，隨著Waymo等大規(guī)模的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集的發(fā)布(Waymo Open Dataset的每個scene的檢測范圍已經(jīng)比最早的KITTI大了近4倍)，以及自動駕駛車上的時延需求，我們期待出現(xiàn)更高效的3D物體檢測框架。同時隨著LiDAR傳感器的發(fā)展，如何更高效的檢測更大范圍的點(diǎn)云場景(更密的點(diǎn)+更大的范圍)，也是一個值得探索的方向。

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