学习几何结构特征的真实点云场景语义分割

有效获取点云数据在空间上的结构性特征是点云语义分割的关键。针对以往方法没有很好综合利用全局和局部特征问题,提出一种新的空间结构特征——点的盒子特征用于语义分割,设计一种编码-解码结构的网络框架,下采样过程中使用几何结构特征模块学习点云的全局空间特征和局部邻域特征,上采样过程中按分辨率逐级恢复成完整尺寸特征图进行语义分割。其中,几何结构特征模块包含两个子模块,一个是全局特征模块,该模块学习点的“盒子（box）”特征以表现点云在采样空间内概括的粗糙几何特征;另一个是局部特征模块,该模块使用特征提取——注意力机制结构表现点云在局部邻域内精确的细粒度几何特征。在公开数据集S3DIS、Semantic3D上进行了实验并与其他方法比较,实验结果表明mIoU均领先目前大部分主流的方法,部分细则类IoU取得最高。     

基于特征增强的三维点云语义分割

为挖掘感知点云几何特征并通过特征增强的方式进一步提高点云语义分割效果,提出了一种基于特征增强的点云语义分割网络。首先,通过设计点云的几何特征感知（GFSOP）模块赋予网络点云局部几何结构的感知能力,捕获点间的空间特征以强化语义表征,并利用分层提取特征思想获得多尺度特征。同时,使用空间注意力和通道注意力融合预测点云语义标签,并通过强化空间关联性和通道依赖性提升分割性能。在室内数据集S3DIS(Stanford large-scale 3D Indoor Spaces)上的实验结果显示,所提网络相较于PointNet++在平均交并比（mIoU）上提升了5.7个百分点,在总体准确度（OA）上提升了3.1个百分点,且在存在噪声、点云密度不均和边界不清晰等问题的点云上表现出更强的泛化性能和更加鲁棒的分割效果。     

三维场景分割中多模态数据融合的2D-3D耦合网络

提出基于二维空间RGB颜色和三维点云数据融合的语义理解网络。先使用轻量级网络提取二维图像的特征，再基于二维图像特征、几何结构和全局环境信息提取三维场景语义分割框架。该算法采用异构网络，有效地将图像和点云信息结合起来，解决了单点云数据处理结果不够精细的问题。     

基于类别-实例分割的室内点云场景修复补全

三维室内场景修复补全是计算机图形学、数字几何处理、3D计算机视觉中的重要问题.针对室内场景修复补全中难以处理大规模点云数据的问题,本文提出了一种基于类别-实例分割的室内点云场景修复补全框架.该框架包括点云场景分割模块和点云形状补全模块,前者由基于PointNet的类别分割网络和基于聚类的实例分割模块完成,后者由基于编码器-解码器结构的点云补全网络实现.本文框架以缺失的室内场景点云数据为输入,首先根据"类别-实例"分割策略,采用PointNet对室内场景进行类别分割,并利用基于欧式距离的聚类方法进行实例分割得到室内各家具点云,然后借助点云补全网络将分割出的缺失家具点云逐一进行形状补全并融合进原始场景,最终实现室内点云场景的修复.其中,为了实现缺失家具点云形状的补全,本文提出了一种基于编码器-解码器结构的点云补全网络,首先通过输入变换和特征变换对齐缺失的家具点云数据采样点位置与特征信息;然后借助权共享多层感知器和PointSIFT特征提取模块对各采样点提取形状特征和近邻点特征信息,并利用最大池化层与多层感知器编码提取出采样点的特征码字;最后将采样点特征码字加上网格坐标数据作为解码器的输入,解码器使用两个连续的三层感知器折叠操作将网格数据转变成完整的点云补全数据.实验结果表明,本文提出的点云补全网络能够较好地补全室内场景中缺失的家具结构形状,同时基于该网络的场景修复补全框架能够有效修复大型室内点云场景.     

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。     

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。     

集成RGB-D语义分割网络的室内语义地图构建

针对传统视觉SLAM准确度低、实时性差、缺乏语义的问题,提出一种全新的RGB-D语义分割网络,利用室内场景中受光照等条件影响较小的深度信息来提高分割的准确性,并且设计了轻量级多尺度残差模块(MRAM)和空间金字塔池化模块(ASPP)来轻量化分割网络、提高分割的精度。首先输入的图像序列进入ORB-SLAM2网络进行关键帧筛选,之后关键帧送入语义分割网络得到二维语义标签,再将二维语义信息映射到三维点云空间,最后使用贝叶斯算法更新三维地图得到全局一致的三维点云语义地图。实验采用NYUv2数据集验证语义分割网络性能,采用TUM数据集构建点云语义地图,结果表明,提出的语义分割网络性能和速度优于现有的模型,且此语义分割网络与视觉SLAM相结合可以满足高精度、实时的稠密三维语义点云地图构建要求。     

基于改进Deeplab v3+的服装图像分割网络

在服装图像分割领域,现有算法存在服装边缘分割粗糙、分割精度差和服装深层语义特征提取不够充分等问题。将Coordinate Attention机制和语义特征增强模块（SFEM）嵌入到语义分割性能较好的Deeplab v3+网络,设计一种用于服装图像分割领域的CA_SFEM_Deeplab v3+网络。为了加强服装图像有效特征的学习,在Deeplab v3+网络的主干网络resnet101中嵌入Coordinate Attention机制,并将经过带空洞卷积池化金字塔网络的特征图输入到语义特征增强模块中进行特征增强处理,从而提高分割的准确率。实验结果表明,CA_SFEM_Deeplab v3+网络在DeepFashion2数据集上的平均交并比与平均像素准确率分别为0.557、0.671,相较于Deeplab v3+网络分别提高2.1%、2.3%,其所得分割服装轮廓更为精细,具有较好的分割性能。     

基于改进FPCC的实例分割算法

3D点云实例分割是工业自动化中关键的预处理步骤.然而,在工业抓取场景中存在大量遮挡时, 3D点云的实例分割网络通常难以区分相似对象.针对这一问题,本文提出了一种基于FPCC的改进算法.本算法有两个分支:中心点分支,用于推断实例的中心点,以及嵌入式特征分支,用于描述点的特征.分割结果是使用聚类算法获得的.特征增强(FEH)模块对中心点预测的准确性起着至关重要的作用.该模块使用特征增强方法来提高预测的准确性,并且进一步地针对中心点预测而进行了损失函数的修改.实验结果表明,改进后的算法相比于FPCC算法在Precision值和Recall值上分别提高了10%、15%.     

基于卦限卷积神经网络的3D点云分析

基于深度学习的三维点云数据分析技术得到了越来越广泛的关注, 然而点云数据的不规则性使得高效提取点云中的局部结构信息仍然是一大研究难点. 本文提出了一种能够作用于局部空间邻域的卦限卷积神经网络(Octant convolutional neural network, Octant-CNN), 它由卦限卷积模块和下采样模块组成. 针对输入点云, 卦限卷积模块在每个点的近邻空间中定位8个卦限内的最近邻点, 接着通过多层卷积操作将8卦限中的几何特征抽象成语义特征, 并将低层几何特征与高层语义特征进行有效融合, 从而实现了利用卷积操作高效提取三维邻域内的局部结构信息; 下采样模块对原始点集进行分组及特征聚合, 从而提高特征的感受野范围, 并且降低网络的计算复杂度. Octant-CNN通过对卦限卷积模块和下采样模块的分层组合, 实现了对三维点云进行由底层到抽象、从局部到全局的特征表示. 实验结果表明, Octant-CNN在对象分类、部件分割、语义分割和目标检测四个场景中均取得了较好的性能.     

基于全融合网络的三维点云语义分割

为提高室内场景的点云语义分割精度,设计了一个全融合点云语义分割网络。网络由特征编码模块、渐进式特征解码模块、多尺度特征解码模块、特征融合模块和语义分割头部组成。特征编码模块采用逆密度加权卷积作为特征编码器对点云数据进行逐级特征编码,提取点云数据的多尺度特征;然后通过渐进式特征解码器对高层语义特征进行逐层解码,得到点云的渐进式解码特征。同时,多尺度特征解码器对提取的点云多尺度特征分别进行特征解码,得到点云多尺度解码特征。最后将渐进式解码特征与多尺度解码特征融合,输入语义分割头部实现点云的语义分割。全融合网络增强了网络特征提取能力的鲁棒性,实验结果也验证了该网络的有效性。     

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Shape Net Part数据集上的m Io U(mean intersection-overunion)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...     

基于双注意力机制的街景语义分割

高性能语义分割算法由于自身高延迟性存在无法快速感知路况的问题。本文提出一种基于注意力机制的双路径网络模型。该网络模型采用轻量的局部轮廓信息提取模块和语义信息提取模块来替代复杂的编码器结构。针对不同路径下特征图的特点,分别基于自注意力和通道注意力机制设计特征优化模块,该算法可有效地提高轻量网络结构对细节特征的表达能力。设计的语义分割网络以25 fps的速度处理图像的同时,可保持73.9%的平均交并比。经实物验证,表明本文算法具备实时性,具有一定的实际应用价值。     

基于自适应角度的三维点云分割方法

点云分割是基于点云数据空间几何信息提取的一项重要工作,它是点云数据特征提取与分析的基础。同时,点云数据通常是离散的和非结构化的,点云数据的分割不是一项简单的数据处理任务,分割效率和分割精度决定了后续数据处理工作的结果。因此,研究点云数据分割具有重要意义。提出一种基于自适应角度的三维点云切割算法,使用PCA算法找到最佳降维投射方向,以降低原始点云数据维度,并利用投射簇的概念实现对原始目标点云的切割获取。     

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。     

基于特征通道和空间位置注意力的三维点云特征学习网络

点云模型的分类与部件分割是三维点云数据处理的基本任务,其核心在于获取可以有效表示三维模型的点云特征。提出一个引入注意力机制的三维点云特征学习网络。该网络采用多层次点云特征提取方法,首先使用特征通道注意力模块获取各通道间的关联,增强关键通道信息; 接着引入空间位置注意力机制,基于点的空间位置信息获取各点的注意力权重;然后结合以上2种注意力机制获取增强的点云特征;最后基于该特征继续进行多层次特征提取,获得面向下游任务的点云特征。分别在ModelNet40和ShapeNet数据集上进行形状分类与部件分割实验,结果表明,使用所提方法可以实现高精度、具有鲁棒性的三维点云形状分类与分割。     

多特征融合与几何卷积的机载LiDAR点云地物分类

目的点云分类传统方法中大量依赖人工设计特征,缺乏深层次特征,难以进一步提高精度,基于深度学习的方法大部分利用结构化网络,转化为其他表征造成了3维空间结构信息的丢失,部分利用局部结构学习多层次特征的方法也因为忽略了机载数据的几何信息,难以实现精细分类。针对上述问题,本文提出了一种基于多特征融合几何卷积神经网络(multi-feature fusion and geometric convolutional neural network,MFFGCNN)的机载Li DAR(light detection and ranging)点云地物分类方法。方法提取并融合有效的浅层传统特征,并结合坐标尺度等预处理方法,称为APD模块(airporne laser scanning point cloud design module),在输入特征层面对典型地物有针对性地进行信息补充,来提高网络对大区域、低密度的机载Li DAR点云原始数据的适应能力和基础分类精度,基于多特征融合的几何卷积模块,称为FGC(multi-feature fusion and geometric convolution)算子,...