基于原型对齐正则化与矫正优化的少样本3D点云语义分割

3D点云语义分割在自动驾驶等现实应用中起着重要作用。现有大部分点云语义分割方法均依赖于大量获取成本昂贵的点级标签用于全监督训练，且在推理时无法扩展到对不可见新类的识别上。为克服上述限制，少样本学习（few-shot learning）通过仅使用少量标注的新类样本来实现到新知识的泛化。在对原型网络（prototypical network）研究基础上，设计一种对点云视觉原型进行自对齐、跨对齐正则化，并进一步矫正优化的少样本3D点云语义分割框架，以充分利用支撑集信息。在公开数据集S3DIS和ScanNet上不同少样本设置下（N-way,K-shot）的实验充分证明了方法在分割效果和推理效率上的优越性。     

融合逆密度函数与关系形状卷积神经网络的点云分析

目的 3D点云与以规则的密集网格表示的图像不同,不仅不规则且无序,而且由于输入输出大小和顺序差异,具有密度不均匀以及形状和缩放比例存在差异的特性。为此,提出一种对3D点云进行卷积的方法,将关系形状卷积神经网络（relation-shape convolution neural network,RSCNN）与逆密度函数相结合,并在卷积网络中增添反卷积层,实现了点云更精确的分类分割效果。方法 在关系形状卷积神经网络中,将卷积核视为由权重函数和逆密度函数组成的3D点局部坐标的非线性函数。对给定的点,权重函数通过多层感知器网络学习,逆密度函数通过核密度估计（kernel density estimation,KDE）学习,逆密度函数的引入对点云采样率不均匀的情况进行弥补。在点云分割任务中,引入由插值和关系形状卷积层两部分组成的反卷积层,将特征从子采样点云传播回原始分辨率。结果 在ModelNet40、ShapeNet、ScanNet数据集上进行分类、部分分割和语义场景分割实验,验证模型的分类分割性能。在分类实验中,与PointNet++相比,整体精度提升3.1%,在PointNet++将法线也作为输入的情况下,精度依然提升了1.9%;在部分分割实验中,类平均交并比（mean intersection over union,mIoU）比PointNet++在法线作为输入情况下高6.0%,实例mIoU比PointNet++高1.4%;在语义场景分割实验中,mIoU比PointNet++高13.7%。在ScanNet数据集上进行不同步长有无逆密度函数的对比实验,实验证明逆密度函数将分割精度提升0.8%左右,有效提升了模型性能。结论 融合逆密度函数的关系形状卷积神经网络可以有效获取点云数据中的局部和全局特征,并对点云采样不均匀的情况实现一定程度的补偿,实现更优的分类和分割效果。     

融合图卷积和差异性池化函数的点云数据分类分割模型

目的 深度网络用于3维点云数据的分类分割任务时,精度与模型在全局和局部特征上的描述能力密切相关。现有的特征提取网络,往往将全局特征和不同尺度下的局部特征相结合,忽略了点与点之间的结构信息和位置关系。为此,通过在分类分割模型中引入图卷积神经网络（graph convolution neural network,GCN）和改进池化层函数,增强局部特征表征能力和获取更丰富的全局特征,改善模型对点云数据的分类分割性能。方法 GCN模块通过K近邻算法构造图结构,利用相邻点对的边缘卷积获取局部特征,在深度网络模型中动态扩展GCN使模型获得完备的局部特征。在池化层,通过选择差异性的池化函数,联合提取多个全局特征并进行综合,保证模型在数据抖动时的鲁棒性。结果 在ModelNet40、ShapeNet和S3DIS（stanford large-scale 3D indoor semantics）数据集上进行分类、部分分割以及语义场景分割实验,验证模型的分类分割性能。与PointNet相比,在ModelNet40分类实验中,整体精度和平均分类精度分别提升4%和3.7%;在ShapeNet部分分割数据集和S3DIS室内场景数据集中,平均交并比（mean intersection-over-union, mIoU）分别高1.4%和9.8%。采用不同的池化函数测试结果表明,本文提出的差异性池化函数与PointNet提出的池化函数相比,平均分类精度提升了0.9%,有效改善了模型性能。结论 本文改进的网络模型可以有效获取点云数据中的全局和局部特征,实现更优的分类和分割效果。     

类别语义相似性监督的小样本图像识别

目的 现有的深度学习模型往往需要大规模的训练数据,而小样本分类旨在识别只有少量带标签样本的目标类别。作为目前小样本学习的主流方法,基于度量的元学习方法在训练阶段大多没有使用小样本目标类的样本,导致这些模型的特征表示不能很好地泛化到目标类。为了提高基于元学习的小样本图像识别方法的泛化能力,本文提出了基于类别语义相似性监督的小样本图像识别方法。方法 采用经典的词嵌入模型GloVe（global vectors for word representation）学习得到图像数据集每个类别英文名称的词嵌入向量,利用类别词嵌入向量之间的余弦距离表示类别语义相似度。通过把类别之间的语义相关性作为先验知识进行整合,在模型训练阶段引入类别之间的语义相似性度量作为额外的监督信息,训练一个更具类别样本特征约束能力和泛化能力的特征表示。结果 在miniImageNet和tieredImageNet两个小样本学习基准数据集上进行了大量实验,验证提出方法的有效性。结果显示在miniImageNet数据集5-way 1-shot和5-way 5-shot设置上,提出的方法相比原型网络（prototypical networks）分类准确率分别提高1.9%和0.32%;在tieredImageNet数据集5-way 1-shot设置上,分类准确率相比原型网络提高0.33%。结论 提出基于类别语义相似性监督的小样本图像识别模型,提高小样本学习方法的泛化能力,提高小样本图像识别的准确率。     

结合空间深度卷积和残差的大尺度点云场景分割

目的 在点云场景中,语义分割对场景理解来说是至关重要的视觉任务。由于图像是结构化的,而点云是非结构化的,点云上的卷积通常比图像上的卷积更加困难,会消耗更多的计算和内存资源。在这种情况下,大尺度场景的分割往往需要分块进行,导致效率不足并且无法捕捉足够的场景信息。为了解决这个问题,本文设计了一种计算高效且内存高效的网络结构,可以用于端到端的大尺度场景语义分割。方法 结合空间深度卷积和残差结构设计空间深度残差（spatial depthwise residual,SDR）块,其具有高效的计算效率和内存效率,并且可以有效地从点云中学习到几何特征。另外,设计一种扩张特征整合（dilated feature aggregation,DFA）模块,可以有效地增加感受野而仅增加少量的计算量。结合SDR块和DFA模块,本文构建SDRNet（spatial depthwise residual network）,这是一种encoder-decoder深度网络结构,可以用于大尺度点云场景语义分割。同时,针对空间卷积核输入数据的分布不利于训练问题,提出层级标准化来减小参数学习的难度。特别地,针对稀疏雷达点云的旋转不变性,提出一种特殊的SDR块,可以消除雷达数据绕Z轴旋转的影响,显著提高网络处理激光雷达点云时的性能。结果 在S3DIS（stanford large-scale 3D indoor space）和SemanticKITTI（Karlsruhe Institute of Technology and Toyota Technological Institute）数据集上对提出的方法进行测试,并分析点数与帧率的关系。本文方法在S3DIS数据集上的平均交并比（mean intersection over union,mIoU）为71.7%,在SemanticKITTI上的mIoU在线单次扫描评估中达到59.1%。结论 实验结果表明,本文提出的SDRNet能够直接在大尺度场景下进行语义分割。在S3DIS和SemanticKITTI数据集上的实验结果证明本文方法在精度上有较好表现。通过分析点数量与帧率之间的关系,得到的数据表明本文提出的SDRNet能保持较高精度和较快的推理速率。     

多尺度特征融合与交叉指导的小样本语义分割

目的 构建支持分支和查询分支间的信息交互对于提升小样本语义分割的性能具有重要作用,提出一种多尺度特征融合与交叉指导的小样本语义分割算法。方法 利用一组共享权重的主干网络将双分支输入图像映射到深度特征空间,并将输出的低层、中间层和高层特征进行尺度融合,构造多尺度特征;借助支持分支的掩码将支持特征分解成目标前景和背景特征图;设计了一种特征交互模块,在支持分支的目标前景和整个查询分支的特征图上建立信息交互,增强任务相关特征的表达能力,并利用掩码平均池化策略生成目标前景和背景区域的原型集;利用无参数的度量方法分别计算支持特征和原型集、查询特征与原型集之间的余弦相似度值,并根据相似度值给出对应图像的掩码。结果 通过在PASCAL-5（i pattern analysis,statistical modeling and computational learning）和COCO-20i（common objects in context）开源数据集上进行实验,结果表明,利用VGG-16（Visual Geometry Group）、ResNet-50（residual neural network）和ResNet-101作为主干网络时,所提模型在1-way 1-shot任务中,分别获得50.2%、53.2%、57.1%和23.9%、35.1%、36.4%的平均交并比（mean intersection over union,mIoU）,68.3%、69.4%、72.3%/和60.1%、62.4%、64.1%的前景背景二分类交并比（foreground and background intersection over union,FB-IoU）;在1-way 5-shot任务上,分别获得52.9%、55.7%、59.7%和32.5%、37.3%、38.3%的mIoU,69.7%、72.5%、74.6%和64.2%、66.2%、66.7%的FB-IoU。结论 相比当前主流的小样本语义分割模型,所提模型在1-way 1-shot和1-way5-shot任务中可以获得更高的mIoU和FB-IoU,综合性能提升效果显著。     

基于递归切片网络的三维点云语义分割与实例分割

目的 针对三维点云语义与实例分割特征点提取精度不高、实例分割精度极度依赖语义分割的性能、在密集场景或小单元分割目标中出现语义类别错分以及实例边缘模糊等问题,提出了基于递归切片网络的三维点云语义分割与实例分割网络。方法 网络对输入点云进行切片,并将无序点云映射到有序序列上;利用双向长短期记忆网络（bidirectional long short-term memory,BiLSTM）得到带有局部特征和全局特征的编码特征矩阵;将编码特征矩阵解码为两个并行分支,进行多尺度的特征融合;对语义与实例特征进行融合,得到并行的语义与实例分割网络。结果 在斯坦福大尺度3D室内场景数据集（Stanford large-scale 3D indoor spaces dataset,S3DIS）以及ShapeNet数据集上,与目前最新点云分割方法进行实验对比。实验结果表明,在S3DIS数据集上,本文算法的语义分割的平均交并比指标为73%,较动态核卷积方法（position adaptive convolution,PAConv）提高7.4%,并且在13个类别中的8个类别取得最好成绩;实例分割中平均实例覆盖率指标为67.7%。在ShapeNet数据集上,语义分割的平均交并比为89.2%,较PAConv算法提高4.6%,较快速、鲁棒的点云语义与实例分割方法（fast and robust joint semantic-instance segmentation,3DCFS）提高1.6%。结论 本文提出的语义与实例分割融合网络,综合了语义分割与实例分割的优点,有效提高语义分割与实例分割精度。     

多特征融合与残差优化的点云语义分割方法

目的 当前的大场景3维点云语义分割方法一般是将大规模点云切成点云块再进行处理。然而在实际计算过程中,切割边界的几何特征容易被破坏,使得分割结果呈现明显的边界现象。因此,迫切需要以原始点云作为输入的高效深度学习网络模型,用于点云的语义分割。方法 为了解决该问题,提出基于多特征融合与残差优化的点云语义分割方法。网络通过一个多特征提取模块来提取每个点的几何结构特征以及语义特征,通过对特征的加权获取特征集合。在此基础上,引入注意力机制优化特征集合,构建特征聚合模块,聚合点云中最具辨别力的特征。最后在特征聚合模块中添加残差块,优化网络训练。最终网络的输出是每个点在数据集中各个类别的置信度。结果 本文提出的残差网络模型在S3DIS （Stanford Large-scale 3D Indoor Spaces Dataset）与户外场景点云分割数据集Semantic3D等2个数据集上与当前的主流算法进行了分割精度的对比。在S3DIS数据集中,本文算法在全局准确率以及平均准确率上均取得了较高精度,分别为87.2%,81.7%。在Semantic3D数据集上,本文算法在全局准确率和平均交并比上均取得了较高精度,分别为93.5%,74.0%,比GACNet （graph attention convolution network）分别高1.6%,3.2%。结论 实验结果验证了本文提出的残差优化网络在大规模点云语义分割的应用中,可以缓解深层次特征提取过程中梯度消失和网络过拟合现象并保持良好的分割性能。     

利用隐式解码器的三维模型簇协同分割

目的 为建立3维模型语义部件之间的对应关系并实现模型自动分割,提出一种利用隐式解码器（implicit decoder,IM-decoder）的无监督3维模型簇协同分割网络。方法 首先对3维点云模型进行体素化操作,进而由CNN-encoder （convolutional neural network encoder）提取体素化点云模型的特征,并将模型信息映射至特征空间。然后使用注意力模块聚合3维模型相邻点特征,将聚合特征与3维点坐标作为IM-decoder的输入来增强模型的空间感知能力,并输出采样点相对于模型部件的内外状态。最后使用max pooling聚合解码器生成的隐式场,以得到模型的协同分割结果。结果 实验结果表明,本文算法在ShapeNet Part数据集上的mIoU （mean intersection-over-union）为62.1%,与目前已知的两类无监督3维点云模型分割方法相比,分别提高了22.5%和18.9%,分割性能得到了极大提升。与两种有监督方法相比,分别降低了19.3%和20.2%,但其在部件数较少的模型上可获得更优的分割效果。相比于使用交叉熵函数作为重构损失函数,本文使用均方差函数可获得更高的分割准确率,mIoU提高了26.3%。结论 与当前主流的无监督分割算法相比,本文利用隐式解码器进行3维模型簇协同分割的无监督方法分割准确率更高。     

局部特征融合的小样本分类

目的 小样本学习是一项具有挑战性的任务,旨在利用有限数量的标注样本数据对新的类别数据进行分类。基于度量的元学习方法是当前小样本分类的主流方法,但往往仅使用图像的全局特征,且模型分类效果很大程度上依赖于特征提取网络的性能。为了能够充分利用图像的局部特征以及提高模型的泛化能力,提出一种基于局部特征融合的小样本分类方法。方法 首先,将输入图像进行多尺度网格分块处理后送入特征提取网络以获得局部特征;其次,设计了一个基于Transformer架构的局部特征融合模块来得到包含全局信息的局部增强特征,以提高模型的泛化能力;最后,以欧几里得距离为度量,计算查询集样本特征向量与支持集类原型之间的距离,实现分类。结果 在小样本分类中常用的3个数据集上与当前先进的方法进行比较,在5-way 1-shot和5-way 5-shot的设置下相对次优结果,所提方法在MiniImageNet数据集上的分类精度分别提高了2.96%和2.9%,在CUB（Caltech-UCSD Birds-200-2011）数据集上的分类精度分别提高了3.22%和1.77%,而在TieredImageNet数据集上的分类精度与最优结果相当,实验结果表明了所提方法的有效性。结论 提出的小样本分类方法充分利用了图像的局部特征,同时改善了模型的特征提取能力和泛化能力,使小样本分类结果更为准确。     

一种鲁棒的多特征点云分类分割深度神经网络

现有的深度学习方法在处理点云分割任务时,难以有效地学习点云的局部特征,存在分类分割精度低和鲁棒性差的问题。构建深度神经网络RMFP-DNN用于多特征点云分类分割。分别利用自注意力模块和多层感知机提取点云的局部特征和全局特征,并将两者相互融合,提高分类分割的准确率和鲁棒性。实验结果表明,RMFP-DNN平均分类准确率和整体分类准确率分别为88.9%和92.6%,与PointNet、PointNet++、DGCNN等方法相比,准确率较高且鲁棒性较好。     

结合动态图卷积和空间注意力的点云分类与分割

目的 随着3维采集技术的飞速发展,点云在计算机视觉、自动驾驶和机器人等领域有着广泛的应用前景。深度学习作为人工智能领域的主流技术,在解决各种3维视觉问题上已表现出巨大潜力。现有基于深度学习的3维点云分类分割方法通常在聚合局部邻域特征的过程中选择邻域特征中的最大值特征,忽略了其他邻域特征中的有用信息。方法 本文提出一种结合动态图卷积和空间注意力的点云分类分割方法（dynamic graph convolution spatial attention neural networks,DGCSA）。通过将动态图卷积模块与空间注意力模块相结合,实现更精确的点云分类分割效果。使用动态图卷积对点云数据进行K近邻构图并提取其边特征。在此基础上,针对局部邻域聚合过程中容易产生信息丢失的问题,设计了一种基于点的空间注意力（spatial attention,SA）模块,通过使用注意力机制自动学习出比最大值特征更具有代表性的局部特征,从而提高模型的分类分割精度。结果 本文分别在ModelNet40、ShapeNetPart和S3DIS（Stanford Large-scale 3D Indoor Spaces Dataset）数据集上进行分类、实例分割和语义场景分割实验,验证模型的分类分割性能。实验结果表明,该方法在分类任务上整体分类精度达到93.4%;实例分割的平均交并比达到85.3%;在室内场景分割的6折交叉检验平均交并比达到59.1%,相比基准网络动态图卷积网络分别提高0.8%、0.2%和3.0%,有效改善了模型性能。结论 使用动态图卷积模块提取点云特征,在聚合局部邻域特征中引入空间注意力机制,相较于使用最大值特征池化,可以更好地聚合邻域特征,有效提高了模型在点云上的分类、实例分割与室内场景语义分割的精度。     

基于Spider卷积的三维点云分类与分割网络

针对传统的卷积神经网络（CNN）不能直接处理点云数据，需先将点云数据转换为多视图或者体素化网格，导致过程复杂且点云识别精度低的问题，提出一种新型的点云分类与分割网络Linked-Spider CNN。首先，在Spider CNN基础上通过增加Spider卷积层数以获取点云深层次特征；其次，引入残差网络的思想在每层Spider卷积增加短连接构成残差块；然后，将每层残差块的输出特征进行拼接融合形成点云特征；最后，使用三层全连接层对点云特征进行分类或者利用多层卷积层对点云特征进行分割。在ModelNet40和ShapeNet Parts数据集上将所提网络与PointNet、PointNet++和Spider CNN等网络进行对比实验，实验结果表明，所提网络可以提高点云的分类精度和分割效果，说明该网络具有更快的收敛速度和更强的鲁棒性。     

基于动态图卷积的加权点云分类网络

传统的直接处理点云的PointNet类深度学习网络大多只考虑了点云的全局特征而忽视了点云局部特征,动态图卷积网络DGCNN通过构建[k]近邻图完成了对局部特征的弥补。然而现有的DGCNN使用简单的边缘特征作为局部特征的输入,没有对局部特征进行更深入的研究,且仅使用最大池化处理点云无序性问题,这造成了一定的信息损失。提出加权点云分类网络WDGCNN,使用特征拼接思想优化网络结构以实现多层次特征的融合、通过对[k]近邻图构成的边缘特征设计恰当的加权函数以弱化远点的干扰,相对加强近点的特征、采用最大池化和平均池化相结合的对称函数弥补单独使用最大池化造成的全局信息损失的新方法,实现了模型优化。实验结果表明,在通用点云分类数据集ModelNet40上,WDGCNN相比于DGCNN分类准确率由91.61%达到了93.22%,验证了新方法的有效性。     

融合稀疏注意力和实例增强的雷达点云分割

目的 雷达点云语义分割是3维环境感知的重要环节,准确分割雷达点云对象对无人驾驶汽车和自主移动机器人等应用具有重要意义。由于雷达点云数据具有非结构化特征,为提取有效的语义信息,通常将不规则的点云数据投影成结构化的2维图像,但会造成点云数据中几何信息丢失,不能得到高精度分割效果。此外,真实数据集中存在数据分布不均匀问题,导致小样本物体分割效果较差。为解决这些问题,本文提出一种基于稀疏注意力和实例增强的雷达点云分割方法,有效提高了激光雷达点云语义分割精度。方法 针对数据集中数据分布不平衡问题,采用实例注入方式增强点云数据。首先,通过提取数据集中的点云实例数据,并在训练中将实例数据注入到每一帧点云中,实现实例增强的效果。由于稀疏卷积网络不能获得较大的感受野,提出Transformer模块扩大网络的感受野。为了提取特征图的关键信息,使用基于稀疏卷积的空间注意力机制,显著提高了网络性能。另外,对不同类别点云对象的边缘,提出新的TVloss用于增强网络的监督能力。结果 本文提出的模型在SemanticKITTI和nuScenes数据集上进行测试。在SemanticKITTI数据集上,本文方法在线单帧...     

适用于点云数据的注意力机制研究

注意力机制作为一种即插即用的有效提高网络特征提取性能的手段,在自然语言处理、图像识别领域有着广泛的应用。然而由于点云数据的不规则性与无序性,使得注意力机制无法直接应用于点云领域。提出适用于点云的注意力机制,以PointNet类网络作为点云特征提取的骨干网络,通过对点云数据进行多角度池化,采用共享权重的多层感知器获取自适应注意力权重,并与原特征相乘以实现输入特征优化,从而提升网络性能,实现注意力机制在点云领域的应用。设计的适用于点云的注意力机制在ModelNet40分类任务上,帮助PointNet(vanilla)和PointNet网络的分类准确率分别提升0.89和0.40个百分点;在ShapeNet零件分割任务上,帮助PointNet网络的平均交并比提升1.38个百分点;在KITTI三维检测任务上,帮助基于视锥体法的融合检测Frustum-PointNet网络在行人和骑行者两种小物体的平均精度也取得了可观的提升。实验结果表明所设计的注意力机制在多种点云处理任务的有效性和轻量级特点。     

面向部件分割的PointNet注意力加权特征聚合网络

为解决PointNet最大池化损失次要特征导致部件分割精度降低的问题,提出一种面向部件分割的PointNet注意力加权特征聚合网络,能够充分利用点云的不同特征进行部件分割。首先利用多层感知机提取点云的空间几何特征,将特征乘以共享权重矩阵,以获取每个点的每一个特征的注意力分数;接着把归一化的分数作为权重乘以对应的全局特征并求和,得到聚合的全局特征;最后使用多层感知机将聚合的特征映射到部件分割结果。实验结果表明,相比于传统PointNet方法,该方法提升了部件分割的总平均交并比,同时在网络鲁棒性和计算复杂度方面具有显著优势。该方法有效优化了PointNet。     

结合空间结构卷积和注意力机制的三维点云分类网络

目的 三维点云分类作为一项关键任务,在计算机视觉、机器人和自动驾驶等领域有着广泛的应用场景。现有的三维点云分类网络在使用边卷积进行局部特征提取时通常存在输入特征差异性小,空间结构信息提取、融合不充分等问题。针对上述问题,设计了一种结合空间结构卷积和注意力机制的点云分类网络。方法 首先,提出一种空间结构卷积,在边卷积的基础上引入邻接点之间的相对位置信息来降低输入特征相似性,而后从结构和位置两个角度分别进行特征编码,实现更具多样性的局部几何结构捕获。其次,设计了全局特征编码模块,从坐标信息中提炼全局特征信息,同时在网络中融合了注意力机制,用于关联局部和全局特征表示,有效保留了全局特征信息,实现全局特征的适应性调整。最后,将局部几何结构信息和全局位置信息进行有效的融合,获得更具代表性和差异性的特征表征。结果 设计实验在公开数据集ModelNet40上对提出的网络模型的性能进行评估,点云分类总体准确率和平均准确率分别达到93.0%和89.7%,具备良好的分类性能和预测效率。实验结果表明,空间结构卷积的使用有效增加了输入特征的多样性,位置和结构的单独编码有效提高了局部特征的表达能力。同时,提出的注意力加权方式在保留全局特征前提下实现了局部特征和全局特征的关联。结论 提出的网络有较强的细粒度特征提取能力,具有良好的分类性能。