针对 3D 计算机视觉的简介

雷锋网按：本文为 AI 研习社编译的技术博客，原标题 An introduction towards 3D Computer Vision, Jian Shi。

翻译 | 江舟     校对 | Lamaric     整理 | MY

随着 AR / VR 技术和自动驾驶汽车技术的发展，3D 视觉问题变得越来越重要，它提供了比 2D 更丰富的信息。本文将介绍两种用于 3D 场景分析的基本深度学习模型：VoxNet 和 PointNet。

3D 图像介绍

3D 图像会多包含一个维度，即深度。有两种最广泛使用的 3D 格式：RGB-D 和点云。

RGB-D

RGB-D 格式图像就像一堆单值图像，每个像素都有四个属性，红色，绿色，蓝色和深度。

在普通的基于像素的图像中，我们可以通过（x，y）坐标定位任何像素，然后就可以分别获得三种颜色属性（R，G，B）。而在 RGB-D 图像中，每个（x，y）坐标将对应于四个属性（深度，R，G，B）。RGB-D 和点云之间的唯一区别在于，在点云中，（x，y）坐标反映了其在现实世界中的实际值，而不是简单的整数值。

点云

网上的点云样例

点云可以由 RGB-D 图像构建。如果你有已扫描的 RGB-D 的图像，并且还知道扫描相机的内在参数，那么你可以以 RGB-D 图像创建点云，方法是通过使用相机内在参数计算真实世界的点（x，y）。这个过程被称为相机校准。因此，到目前为止，你知道了 RGB-D 图像是网格对齐的图像，而点云是更稀疏的结构。

3D 视觉

就像 2D 问题一样，我们想要检测并识别 3D 扫描图像中的所有对象。但与 2D 图像不同的是，为了充分使用 CNNs 方法的数据，它的最佳输入格式该是什么就成了一个需要解决的问题。

体素化网格

体素化网格是将 3D 对象拟合到网格中的最直观的方法，为了使其看起来像是像素图像，我们在这里将其称为体素。在这种情况下，3D 图像由（x，y，z）坐标描述，它看起来就会像乐高一样。

VoxNet 架构来自“VoxNet：一个用于实时物体识别的 3D 卷积神经网络”，作者：Daniel Maturana 和 Sebastian Scherer。

VoxNet 是一种基于深度学习的框架，它使用占据网格方法对 3D 点云进行分类，VoxNet 在分类问题上非常有效。

例如，如果我们将点云拟合到 32x32x32 的体素化网格，我们可以构建一个全部填充为零的 32x32x32 的数组。然后缩放点云来计算每个体素内的有多少个点。

在获得体素化网格后，我们接下来执行 3D 卷积计算，这有效地在基于体素的图像上滑动立方体（译者注： 3D 卷积是通过堆叠多个连续的帧组成一个立方体，然后在立方体中运用 3D 卷积核）。

我们将扫描扩展到相同的基础。我们设想如果我们进行大规模扫描，每个物体将只是一个会导致一些问题的体素。而且，由于那些上采样操作，不容易确定每个体素的 RGB 颜色。

对于简单的数据集（具有相似的点数，相似的扫描比例），VoxNet 可能是一个简单而效果好的方法。但如果遇到复杂的数据集，它可能并不是一个好的选择。

点

虽然基于体素化的方法可以在分类问题上展现很好地工作效率，但它为上采样操作牺牲了大量信息。因此，我们希望能够在点上来训练有更好效果的网络。

第一个问题是点的顺序，我们知道点云对点的顺序是不变的。

点云文件可以在不更改实际渲染的情况下被更改。

处理此问题（PointNet）有三种策略：

1. 对点进行排序。

2. 输入为 RNN 的序列，此序列通过增加各种排列来增大。

3. 使用对称函数来聚合来自每个点的信息。在此对称函数中，+ 或 * 是对称的二元函数。

在 PointNet 的论文中，文中说第一种方法会产生一定的计算强度，第二种方法则不够健壮。因此，在这里将使用最大池和对称函数。而最大池是这里的主要操作。

整个框架如下文所述，你也可以去 GitHub 参见完整的实现过程。

PointNet 的架构中，mlp 代表多层感知器。T-Net 是一个微小的变换网络。

通常，它是卷积、完全连接和最大池化层的一种灵活使用方式。我发现一开始可能会很难理解这些，因此我们可以直接看代码去更好地理解。

首先，我将给出一个示例点云，它每行是（x，y，z，r，g，b）。其中每行代表一个点。假设我们在这个例子中有 n 个点。

注意：PointNet 的实际输入使用标准化 RGB 色域，基点的 x，y 在空间的中心是对齐的。为了不与浮点数之间发生混乱，在这里我没有这样做。

PointNet 中的分类

第一步操作是进行 2d 卷积，其内核大小为（1，6），它用来聚合一个点的相关信息（x，y，z，r，g，b；总共六个）。此处的输出应为（n，1,64）。

注意：每层都有批量标准化，我将其删除以简化演示过程。此外，原始 PointNet 使用 9 个特征作为输入（x，y，z，r，g，b，normalized_x，normalized_y，normalized_z）。

这里是几个 1x1 卷积运算以逐个像素点的方式检测这些特征。因此，我们将在这之后产生一个（n，1，1024）的数组。

接下来是最重要的步骤，最大池会选择所有点中最显著的特征。这就是函数对点的顺序不变的原因。由于我们在先前的图层中有 1024 个过滤器，因此该图层将输出 1024 个特征。

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