基于动态图卷积和空间金字塔池化的点云深度学习网络

点云数据的分类和语义分割在自动驾驶、智能机器人、全息投影等领域中有着重要应用。传统手工提取点云特征的方式,以及将三维点云数据转化为多视图、体素网格等数据形式后再进行特征学习的方式,都存在处理环节多、三维特征损失大等问题,分类和分割的精度较低。目前可以直接处理点云数据的深度神经网络PointNet忽略了点云的局部细粒度特征,对复杂点云场景的处理能力较弱。针对上述问题,提出了一种基于动态图卷积和空间金字塔池化的点云深度学习网络。该网络在PointNet的基础上使用动态图卷积模块来替换PointNet中的特征学习模块,增强了网络对局部拓扑结构信息的学习能力;同时设计了一种基于点的空间金字塔池化结构来捕获多尺度局部特征,该方式比PointNet++的多尺度采样点云、重复分组进行多尺度局部特征学习的方法更加简洁高效。实验结果表明,在点云分类和语义分割任务的3个基准数据集上,所提网络相较于现有网络具有更高的分类和分割精度。     

基于超点图网络的三维点云室内场景分割模型

针对点云数据集样本不均衡及PointNet网络无法充分利用点云邻域信息的问题,提出一种三维点云场景分割模型。根据几何信息将原始点云块同质分割为超点,利用小型PointNet网络将点云原始特征映射到高维空间中,并挖掘场景中深层语义信息。在此基础上,构建自归一化属性门控单元优化点云上下文语义分割效果,采用二维图像领域中的Focal Loss损失函数实现点云场景分割。实验结果表明,该模型在S3DIS数据集上的平均交并比、总体精度、平均精度分别达到63.8%、86.4%、74.3%,较SPG模型分别提升1.7、0.9、1.3个百分点。     

基于改进PointNet++的大规模猪体点云部位分割

PointNet++点云分割网络能直接处理点云并有良好的分类和分割效果,然而对于自由运动状态下获取的大型牲畜点云,存在较大姿态差异,PointNet++无法难以直接捕捉其局部特征,对牲畜体点云各部位分割效果不佳。针对此问题论文采用Octree结构改进了PointNet++集合抽象层中的分组与采样层,使得网络能够更好地捕捉目标点云的非刚性变化,充分提取不同层次下的局部信息,实现对大规模牲畜点云数据的自动分割。采用Octree改进的PointNet++模型分割活体猪点云数据的头部、耳朵、尾部、躯体和四腿。实验表明,500组猪体点云数据,采用320组不同姿态下的猪体点云进行网络训练,180组分割测试结果的平均mIoU达到了88.06%,OA达到了96.57%。     

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PointNet++的工井点云语义分割模型研究

受地下工井空间狭窄,环境复杂的影响,采集的工井点云数据存在在空间中分布不规则且不均匀、数据量大,难以实现多目标高效地语义分割等问题,本文提出了基于PointNet++的工井点云语义分割模型研究。首先采集了地下工井点云数据并加入语义标签制作模型训练需要的数据集;其次,为提高点云分割任务的性能,引入一种基于深度学习的PointNet++网络模型,并利用多分辨率分组（Multi-scale grouping,MSG)和随机输入（Random Input Dropout,DP）策略,实现地下工井地面、顶、爬梯、墙、电缆线和支架等的语义分割。最后,分割类别采用精确度、召回率、交并比,F1分数作为评价指标,结果表明,与PointNet网络模型相比,本文模型评价指标均展现出了显著的提升,在地面、井顶、井墙和电缆线等类别评价指标均超过80%,目标分割的性能良好,有利于地下电缆工井场景的多目标快速精准分割,为地下工程精细化管理奠定基础。     

基于分层特征化网络的三维人脸识别

针对三维人脸多表情、多姿态变化同时存在,人脸点云数据不同程度缺失的问题,探索性地将三维点云人脸数据应用于PointNet系列的分类网络并进行了识别结果的对比与分析,然后提出了一种新的网络框架——HFN。首先,在数据预处理后随机采样固定点数的点云;其次,将固定点数的人脸点云输入SA模块,以获取局部区域的质心点、邻域点并提取局部区域的特征,然后拼接由DSA模块基于多方向卷积提取的点云空间结构特征;最后,利用全连接层进行三维人脸的分类,从而实现三维人脸识别。在CASIA数据库上的结果显示,所提方法的平均识别率为96.34%,优于PointNet、PointNet++、PointCNN和空间聚合网络（SAN）这几种分类网络。     

考虑样本均衡机制的大脑皮层点云语义分割方法

已有的大脑皮层分割方法多是在磁共振成像（MRI）图像的大脑结构分割基础上,再提取皮层信息作为最终分割结果。针对现有方法存在的数据量大、分割效率低、准确率易受到大脑内部结构分割结果影响的问题,提出了一种考虑样本均衡机制的大脑皮层点云语义分割方法。首先在充分考虑大脑皮层点云集合数据特点的基础上,应用PointNet分割网络对大脑皮层进行语义分割;然后引入样本均衡机制改善分割模型的损失函数,以提升较小语义分区对分割结果的贡献度。不同数据集上的实验结果表明,与SLANT-27相比,使用PointNet大脑皮层点云语义分割方法能够有效提高分割准确率和分割效率,而融入样本均衡机制后的大脑皮层点云语义分割方法在小分区的分割准确率上提高了至少16个百分点。研究结果显示PointNet能够很好地解决大脑皮层分割问题,并且样本均衡机制能够明显提升语义分区的平均准确率。     

基于深度学习的三维点云语义分割方法研究

综述了基于深度学习的三维点云语义分割方法的研究进展。利用文献分析法,按照数据的表现形式对基于深度学习的三维点云语义分割的方法进行阐述。探讨了近些年的国内外发展现状,分析了目前相关方法的优缺点,并展望了未来发展的趋势。深度学习的加入在点云语义分割技术研究上发挥着越来越重要的作用,推动了制造与包装等领域趋向于智能信息化。根据各类方法的优缺点,利用深度学习技术构建出基于投影、体素、多视图以及直接基于点云的2D-3D组合语义分割框架模型是未来的一个重要研究方向。     

一种面向散乱点云语义分割的深度残差?特征金字塔网络框架

针对当前基于深度学习的散乱点云语义特征提取方法通用性差以及特征提取不足导致的分割精度和可靠性差的难题, 提出了一种散乱点云语义分割深度残差?特征金字塔网络框架. 首先, 针对当前残差网络在卷积方式上的局限性, 定义一种立方体卷积运算, 不仅可以通过二维卷积运算实现三维表示点的高层特征的抽取, 还可以解决现有的参数化卷积设计通用性差的问题;其次, 将定义的立方体卷积计算与残差网络相结合, 构建面向散乱点云语义分割的深度残差特征学习网络框架; 进一步, 将深度残差网络与特征金字塔网络相结合, 实现三维表示点高层特征多尺度学习与散乱点云场景语义分割. 实验结果表明, 本文提出的立方体卷积运算具有良好的适用性, 且本文提出的深度残差?特征金字塔网络框架在分割精度方面优于现存同类方法.     

基于分层特征化网络的三维人脸识别

针对三维人脸多表情、多姿态变化同时存在，人脸点云数据不同程度缺失的问题，探索性地将三维点云人脸数据应用于PointNet系列的分类网络并进行了识别结果的对比与分析，然后提出了一种新的网络框架——HFN。首先，在数据预处理后随机采样固定点数的点云；其次，将固定点数的人脸点云输入SA模块，以获取局部区域的质心点、邻域点并提取局部区域的特征，然后拼接由DSA模块基于多方向卷积提取的点云空间结构特征；最后，利用全连接层进行三维人脸的分类，从而实现三维人脸识别。在CASIA数据库上的结果显示，所提方法的平均识别率为96.34%，优于PointNet、PointNet++、PointCNN和空间聚合网络（SAN）这几种分类网络。     

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%。     

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。     

基于动态图卷积和离散哈特莱转换差异性池化的点云数据分类分割网络

针对目前可以直接处理原始点云数据的深度学习网络PointNet,忽略了点与点之间的拓扑关系和全局特征信息单一的缺陷,提出一种基于动态图卷积和离散哈特莱转换（DHT）差异性池化的点云数据分类分割网络。首先,设计动态图卷积模块构建局部邻域图结构,通过图卷积网络获得点与点之间的位置关系,同时采用动态更新图结构的方式,增强网络表征能力;然后,通过离散哈特莱转换将特征转换到指定维度;最后,通过最大池化和平均池化并联通道获得全局特征。实验结果证明：提出的网络模型与PointNet网络模型在同样的数据集和评价标准上对比,点云分类任务上总体精度提高2.6个百分点,部件分割任务平均交并比（mIoU）提高4.1个百分点,场景语义分割任务mIoU提高8.6个百分点。通过运用该网络模型能有效提升点云数据分类分割的准确率,同时该网络具有更强的鲁棒性。     

基于反求工程的牙颌模型的建立

目的:利用三维激光扫描仪扫描全牙列模型,对获得的数据进行处理,重构牙颌的三维图形。方法:将获得的三维点云数据进行处理,包括数据平滑、特征提取、数据分割、自由曲面建模等实现牙颌的三维重构。结论:得到牙颌的三维重建数字模型,牙颌模型的建立将极大地提高后期医生设计牙齿的质量与效率。     

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。     

基于距离视图表示与逐点细化结合的点云语义分割方法

三维点云语义分割是机器实现环境感知的重要途径。在现有的研究中,基于体素的算法和基于点的算法在面对大规模的点云数据时计算效率低下。而基于距离视图的算法,在对点云进行投影和反投影时会不可避免地造成精度损失。针对上述问题,提出了基于距离视图表示与逐点细化结合的点云语义分割新框架RPNet。充分的实验表明,所提出的方法在三维点云室外场景数据集SemanticKITTI上的平均交并比达到64.2%,推理速度达到58帧/秒,兼顾了高精度和高速度。     

SSA-PointNet++:空间自注意力机制下的3D点云语义分割网络

为增强捕捉细粒度局部特征能力以进一步提高复杂场景点云语义分割精度,将自注意力机制引入PointNet++构建点云语义分割网络SSA-PointNet++.首先将采样点邻域的自注意力明确分为中心自注意力和邻域自注意力两部分,综合两者并结合不同空间编码方式增强网络模型对采样点邻域拓扑结构的学习;然后构建注意力池化模块以强化...     

基于反求工程的牙颌模型的建立

目的：利用三维激光扫描仪扫描全牙列模型，对获得的数据进行处理。重构牙颌的三维图形。方法：将获得的三维点云数据进行处理，包括数据平滑、特征提取、数据分割、自由曲面建模等实现牙颌的三维重构。结论：得到牙颌的三维重建数字模型．牙颌模型的建立将极大地提高后期医生设计牙齿的质量与效率。     

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。