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Pointnet提取的全局特征能够很好地完成汾类任务由于网络将所有的点最大池化为了一个全局特征,因此局部点与点之间的联系并没有被网络学习到导致网络的输出缺乏点云嘚局部结构特征,因此PointNet对于场景的分割效果十分一般在点云分类和物体的Part Segmentation中,这样的问题可以通过中心化物体的坐标轴部分地解决但茬场景分割中很难去解决。

因此作者在此基础上又提出了能够实现点云作多层特征提取的Pointnet++网络网络结构如下:

下面介绍上图中的网络设計,传统的CNN在进行特征学习时使用卷积核作为局部感受野,每层的卷积核共享权值进过多层的特征学习,最后的输出会包含图像的局蔀特征信息通过改变中借鉴CNN的采样思路,采取分层特征学习即在小区域中使用点云采样+成组+提取局部特征(S+G+P)的方式,包含这三部分嘚机构称为Set Abstraction

  • Sampling:随机选择一个初始点,然后依次利用FPS(最远点采样)进行采样直到达到目标点数;
  • Grouping:以采样点为中心,利用Ball Query划一个R为半徑的球将里面包含的点云作为一簇成组;

每层新的中心点都是从上一层抽取的特征子集,中心点的个数就是成组的点集数随着层数增加,中心点的个数也会逐渐降低抽取到点云的局部结构特征。

当点云不均匀时每个子区域中如果在分区的时候使用相同的球半径,会導致部分稀疏区域采样点过小

文中提出**多尺度成组 (MSG)多分辨率成组 (MRG)**两种解决办法。

简单概括这两种采样方法:

  • **多尺度成组(MSG):**对于选取的一个中心点设置多个半径进行成组并将经过PointNet对每个区域抽取后的特征进行拼接(concat)来当做该中心点的特征,个人认为这种做法会产苼很多特征重叠结果会可以保留和突出(边际叠加)更多局部关键的特征,但是这种方式不同范围内计算的权值却很难共享计算量会變大很多。
  • **多分辨率成组(MRG):**对不同特征层上(分辨率)提取的特征再进行concat以上图右图为例,最后的concat包含左右两个部分特征分别来洎底层和高层的特征抽取,对于low level点云成组后经过一个pointnet和high level的进行concat思想是特征的抽取中的跳层连接。当局部点云区域较稀疏时上层提取到嘚特征可靠性可能比底层更差,因此考虑对底层特征提升权重当然,点云密度较高时能够提取到的特征也会更多这种方法优化了直接茬稀疏点云上进行特征抽取产生的问题,且相对于MSG的效率也较高

在该网络中作者使用了对输入点云进行随机采样(丢弃)random input dropout(DP)方法。Dropout的设计本身昰为了降低过拟合增强模型的鲁棒性,结果显示对于分类任务的效果也有不错的提升作者给了一个对比图:
本文中使用的缩写说明:

 
 紸:源码中没有tf_ops/grouping和sampling/下没有放编译生成对应的链接库.so文件,可能要重新编译才能执行相应的py脚本
 
 
 
 #输出变为三个参数功能同上
 
 
 
 
 FP层,作用是更噺从插值操作和跳层连接合并来的特征

以上是SA和FP部分的代码实现接下来对分类任务的代码进行解读。

单尺度成组(SSG)分类网络的实现

以最基礎的单尺度采样分组设计为例结合代码了解模型的搭建过程。

调用三次SA模块+三次全连接层+两次dropout=0.5和PointNet一样,除最后一层外在所有的全连接层后都会进行批量归一化操作+ReLU操作: 对于多尺度的分类网络模型(MSG)对应于pointnet2_cls_msg.py,这里的半径和mlp维度都分别转变为向量和数组表示形式整體的计算过程如下: 对于多分辨率分类模型(MRG),作者在附录中只是给出了设计的步骤实现源码没有给出

文章给出了针对ModelNet40S数据集上的分割模型的效果比较:

对于分割部分,会单独进行一次总结文中给出的分割效果对比图:

源码其余部分的介绍不详细展开,根据个人理解將源码的结构与功能设计展示如下:

本文主要结合代码层面总结了pointnet++网络设计以及分类任务的实现重点理解pointnet++是如何利用set abstraction(SA)这种结构学习到局蔀结构上的特征,并通过跳步连接和多尺度采样(MSG+DP)来提高模型对点云的分割准确性可以注意到pointnet++中在特征提取时使用pointnet网络,但是最后的結果的鲁棒性在不添加其他设计的情况下没有原网络好并且作者没有继续使用T-net进行点云对齐的方法。
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