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。     

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。     

基于动态图卷积的混合注意力点云特征学习网络

当前针对点云模型的形状分类、部件分割等工作的深度学习网络缺乏从全局和局部两个角度综合利用上下文信息的能力,从而阻碍了点云对象在细节部分的准确度性能。因此,该文提出了一种通道注意力与局部区域注意力相结合的混合注意力机制,并基于动态图卷积构建了新的三维点云特征学习网络EDANet。通过通道注意力优化边卷积的处理过程,充分挖掘点云的局部特征信息,同时使用局部区域注意力从全局视角提取上下文特征,并将两部分信息相结合并逐层传递,从而提高特征提取效果网络的能力。在ModelNet40与ShareNet数据集上分别进行了点云形状分类、部件分割实验,实验结果表明在ModelNet40数据集上,EDANet网络的总体精度OA达到了92.9%,相较于PointNet、PointNet++、DGCNN分别高出了3.7%、2.3%、0.7%。在ShareNet数据集上平均并交比(mIoU)达到了86%,相较于PointNet、PointNet++、DGCNN分别高出了2.3%、0.9%、0.8%。相比其他深度学习网络也具有不同程度的性能提高。验证了该方法在点云处理任务中的优越性能。     

基于自注意力机制的点云分类分割

3D点云由于其无序性以及缺少拓扑信息使得点云的分类与分割仍具有挑战性.针对上述问题,我们设计了一种基于自注意力机制的3D点云分类算法,可学习点云的特征信息,用于目标分类与分割.首先,设计适用于点云的自注意力模块,用于点云的特征提取.通过构建领域图来加强输入嵌入,使用自注意力机制进行局部特征的提取与聚合.最后,通过多层感知机以及解码器-编码器的方式将局部特征进行结合,实现3D点云的分类与分割.该方法考虑了输入嵌入时单个点在点云中的局部语境信息,构建局部长距离下的网络结构,最终得到的结果更具区分度.在ShapeNetPart、RoofN3D等数据集上的实验证实所提方法的分类与分割性能较优.     

基于局部空间信息表征融合和信息深度残差提取的点云分类分割算法

点云作为一种能提供丰富空间信息与物体几何特征的数据表达形式,在自动驾驶和机器人等领域有着广泛的应用前景。点云数据具有无序性的特点,早期研究者利用深度学习工具完成点云的分类分割任务时,一般采用结构化表示方法(如将点云转换成体素,多视图),但这些方法会导致部分三维空间信息损失和预处理计算量大等问题。PointNet创新性地使用共享的MLP(多层感知机)处理每个点云的向量,有效地解决了点云的无序性问题。PointNet的扩展版本PointNet++利用Encode-Decode结构进行局部特征提取。整体采用Encode-Decode结构,提出了PointRFE神经网络模型。其中,设计了能够对局部进行更充分表征的局部信息表征融合(Local Information Representing and Fusing, LIRF)模块,该模块融合了局部采样点特征,局部点云仿射变换特征和局部空间几何结构信息特征;设计了信息深度残差提取(Information Deep Residual Extractor, IDRE)模块,该模块通过带有瓶颈残差结构的共享MLP(多层感知机)对LIRF模块输出的融合特...     

扩展点态卷积网络的点云分类分割模型

目的 点态卷积网络用于点云分类分割任务时,由于点态卷积算子可直接处理点云数据,逐点提取局部特征向量,解决了结构化点云带来的维度剧增和信息丢失等问题。但是为了保持点云数据结构的一致性,点态卷积算子及卷积网络模型本身并不具有描述点云全局特征的结构,因此,对点态卷积网络模型进行扩展,扩展后的模型具有的全局特征是保证分类分割准确性的重要依据。方法 构造中心点放射模型来描述点云逐点相对于全局的几何约束关系,将其引入到点态卷积网络的特征拼接环节扩展特征向量,从而为点态卷积网络构建完善的局部—全局特征描述,用于点云数据的分类分割任务。首先,将点云视为由中心点以一定方向和距离放射到物体表面的点的集合,由中心点指向点云各点的放射矢量,其矢量大小确定了各点所存在的曲面和对于中心点的紧密程度,矢量方向描述了各点对于中心点的包围方向及存在的射线。进而由点云中的坐标信息得到点云的中心点,逐点计算放射矢量构造中心点放射模型,用以描述点云的全局特征。然后,利用点云数据的坐标信息来检索点的属性,确定卷积中参与特定点卷积运算的邻域,点态卷积算子遍历点云各点,输出逐点局部特征,进一步经多层点态卷积操作得到不同深度上的局部特征描述。最后,将中心点放射模型的全局特征和点态卷积的局部特征拼接,完成特征扩展,得到点态卷积网络的扩展模型。拼接后的局部—全局特征输入全连接层用于类标签预测,输入点态卷积层用于逐点标签预测。结果 在ModelNet40和S3DIS（Stanford large-scale 3D indoor spaces dataset）数据集上分别进行实验,验证模型的分类分割性能。在ModelNet40的分类实验中,与点态卷积网络相比,扩展后的网络模型在整体分类精度和类属分类精度上分别提高1.8%和3.5%,在S3DIS数据集的分割实验中,扩展后的点态卷积网络模型整体分割精度和,类属分割精度分别提高0.7%和2.2%。结论 引入的中心点放射模型可以有效获取点云数据的全局特征,扩展后的点态卷积网络模型实现了更优的分类和分割效果。     

基于SA-PointNetVLAD的点云分类网络

三维点云数据包含着丰富的形状和比例信息,如何有效准确地对点云数据进行分类已经成为了目前计算机视觉领域的研究热点。由于点云在非欧氏空间中的不规则稀疏结构,并且现有的基于深度学习的三维点云分类模型中缺乏对各个点的局部信息和全局信息的有效利用,从而导致较低的分类精度。为了解决上述问题,提出了一种基于SA-PointNetVLAD的点云分类模型框架。该网络采用逐点特征提取和汇集操作来解决无序的点云问题,通过自注意力机制来计算每个点与其他所有点之间的关联,充分挖掘点云的局部区域细粒度特征以及全局信息,采用KNN邻近算法感知点云的局部形状结构,通过VLAD层将每个点的低层几何描述符与视觉单词相关联来间接描述高层特征信息。此外,该网络还引入一个有效的关键点描述符帮助识别整体几何图形。经过实验得出SA-PointNetVLAD模型在公开的ModelNet40数据集上仅使用512个点就可以达到90.9%的精度,显著高于相同条件下的其他方法。     

可学习动态分组卷积神经网络的大规模点云分割

针对现有大规模点云语义分割算法提取特征时冗余干扰信息过多,导致神经网络分割性能较差的问题,提出可学习动态分组卷积神经网络架构,高效准确地实现大规模点云分割。对输入点云以分组的方式进行局部几何特征提取,并通过动态筛选和修剪冗余特征通道来减少无用特征信息对神经网络特征识别的干扰,进一步提高网络模型语义分割精度。构建位置编码模块,将点云位置特征映射到高维频域空间,使神经网络充分挖掘点云频域特征信息,增强特征的丰富性。对提取到的局部几何特征和全局单点位置特征进行融合,并构建可学习动态分组卷积神经网络,完成解码得到最终分割结果。实验结果表明,该算法在大规模点云分割数据集S3DIS和SemanticKITTI上的mIoU分别为69.6%和58.3%。与现有点云语义分割方法相比,所提出的网络模型具有更高的分割准确率和较低的参数量。     

基于节点结构的点云分类网络

点云数据的非结构化和不均匀分布给点云物体特征表示和分类任务带来极大挑战。为了提取点云物体的三维结构特征,现有方法多采用复杂的局部特征提取结构组建分层网络,导致特征提取网络复杂且主要关注点云物体的局部结构。为更好地提取不均匀分布的点云物体特征,提出采样点卷积密度自适应加权的节点结构网络(NsNet)。该卷积网络通过高斯密度对采样点自适应加权以区分采样点的密度差异,从而更好地刻画物体的整体结构;其次,通过加入球形坐标简化网络结构以降低模型复杂度。在3个公开数据集上与PointNet++和PointMLP等方法进行比较,实验结果表明：基于自适应密度加权的NsNet比PointNet++和PointMLP的总准确率(OA)分别提高了9.1和1.3个百分点;与PointMLP相比减少了4.6×10⁶的参数量。NsNet可有效解决点云分布不均导致的边缘点信息损失问题,提高分类精度,降低模型复杂度。     

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.     

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。     

基于MANet的三维点云特征提取方法研究

在三维点云数据特征提取过程中,点云数据本身的稀疏性和不规则性会影响输入数据的全局特征表示,且现有方法未考虑不同特征通道的重要性差异,不利于点云特征的全局优化。提出一种基于多分组表征和注意力机制的MANet网络进行三维点云特征描述。为获得完整的点云特征信息,将点云数据输入多分组表征模块获得初始点云特征。为学习点云不同通道的重要性,引入新的通道注意力机制强调对特征表示重要的通道,抑制不重要的通道,进一步优化特征表示。将优化后的特征输入点云分类网络,实验结果表明,多分组表征可以感知局部信息,注意力机制能够优化全局特征表示,所提方法能够对点云数据进行有效学习,有助于提高点云分类的鲁棒性和准确率。在ModelNet10/40分类数据集上总体准确率（overall accuracy）分别达到95.1%和92.5%,在ScanNet和SHREC15数据集上总体准确率分别为78.6%和97.2%,上述结果均优于PointNet++网络。     

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。     

融合小样本元学习和原型对齐的点云分割算法

目的 针对点云分割需要大量监督信息所造成的时间成本高、计算效率低的问题，采用融合原型对齐的小样本元学习算法对点云进行语义分割，使模型能够在监督信息很少的情况下完成分割任务。方法 首先，为了避免小样本训练时易导致的过拟合问题，采用2个边缘卷积层（edge convolution layer，EdgeConv）与6个MLP （multilayer perceptron）交叉构造DGCNN （dynamic graph convolutional neural network），同时还保证了能充分学习到点云信息；然后，以N-way K-shot的形式将数据集输入上述网络学习支持集与查询集的特征，通过average pooling feature获取类别原型并融合原型对齐算法得到更为鲁棒的支持集原型；最后，通过计算查询集点云特征与支持集原型的欧氏距离实现点云分割。结果 在S3DIS （Stanford large-scale 3D indoor spaces dataset）、ScanNet和闽南古建筑数据集上进行点云语义分割实验，与原型网络和匹配网络在S3DIS数据集上进行比较。分割1-way时，平均交并比（mean intersection over union，mIoU）相比原型网络和匹配网络分别提高了0.06和0.33，最高类别的mIoU达到0.95；分割2-way时，mIoU相比原型网络提高了0.04；将DGCNN网络与PointNet++做特征提取器的对比时，分割ceiling和floor的mIoU分别提高了0.05和0.30。方法应用在ScanNet数据集和闽南古建筑数据集上的分割mIoU分别为0.63和0.51。结论 提出的方法可以在少量标记数据的情况下取得良好的点云分割效果。相比于此前需用大量标记数据所训练的模型而言，只需要很少的监督信息，便能够分割出该新类，提高了模型的泛化能力。当面临样本的标记数据难以获得的情况时，提出的方法更能够发挥关键作用。     

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,...     

基于点云数据的三维目标识别和模型分割方法

三维模型的深度特征表示是三维目标识别和三维模型语义分割的关键和前提,在 机器人、自动驾驶、虚拟现实、遥感测绘等领域有着广泛的应用前景。然而传统的卷积神经网 络需要以规则化的数据作为输入,对于点云数据需要转换为视图或体素网格来处理,过程复杂 且损失了三维模型的几何结构信息。借助已有的可以直接处理点云数据的深度网络,针对产生 的特征缺少局部拓扑信息问题进行改进,提出一种利用双对称函数和空间转换网络获得更鲁棒、 鉴别力更强的特征。实验表明,通过端到端的方式很好地解决缺少局部信息问题,在三维目标 识别、三维场景语义分割任务上取得了更好的实验效果,并且相比于 PointNet++在相同精度的 情况下训练时间减少了 20%。