PDF: Pyramid R-CNN: Towards Better Performance and Adaptability for 3D Object Detection
CODE: https://github.com/PointsCoder/Pyramid-RCNN
一、大体内容
Pyramid R-CNN是一个两阶段的3D目标检测网络，主要是考虑目前的方法在第二阶段提取感兴趣RoI特征时，不能有效地处理兴趣区域点云稀疏和不均匀分布的问题。如下图所示超过7%的点云总数少于10个，这样特征是不完整的，因此会影响检测效果，另外点云分布也不均匀
为了解决上述问题，Pyramid RCNN在第二阶段提出了一个新颖的pyramid RoI Head模块，主要包含RoI-grid Pyramid、RoI-grid Attention和Density-Aware Radius Prediction(DARP)三个模块，通过组合这几个模块，在KITTI及Waymo Open数据集上都取得了高性能的效果。如下图所示，在第一阶段可以选择不同的BackBone方案来获得3D RoIs以及兴趣点，第二阶段的Pytramid RoI head对每一个RoI首先构建RoI-grid Pyramid模块，通过逐渐放大每个金字塔级别中原始RoI的大小，用于获取更多的特征信息，RoI网格点的坐标由放大的RoI大小和网格大小决定。在每个金字塔级别中，通过DARP模块从全局上下文向量预测RoI网格点的聚焦半径r。然后执行由r参数化的RoI-grid Attention，将兴趣点的特征聚合到RoI网格中。最后，对RoI网格特征进行增强，并将其输入到两个单独的头中进行分类和回归。
二、贡献点
- 提出的二阶段目标检测框架Pyramid R-CNN，可以适用于不同的BackBones。
- 提出pyramid RoI head可以解决兴趣点稀疏和分布不均匀的问题，由RoI-grid Pyramid、RoI-grid Attention和Density-Aware Radius Prediction(DARP)三大块组成。
- Pyramid R-CNN在KITTI和Waymo Open数据集上取得领先的效果
三、细节
3.1 RoI-grid pyramid
由于点的稀疏性，内部的语义特征不够完整，因此用RoI-grid pyramid模块来扩大RoI范围以获取更多的语义特征，增强物体的几何细节，有助于识别不完整的对象，如遮挡和远距离物体。（其背后的思想是：对于每个RoI，inside points包含fine-grained结构信息，用于bbox refinement，outside points则包含丰富的语义信息，用于识别不完整的objects）
实现方式也很简单明了，就是引入一个超参数\(\rho\)来控制RoI的范围，比较一下就清楚了，（1）式是标准的RoI-grid表示，（2）式是RoI-grid pyramid表示。
其中\(W, L, H\)表示RoI的大小，\(x_c, y_c, z_c\)表示RoI的左下角点坐标，\(N_w, N_l, N_h\)表示网格的大小，前面一项是计算出位置的偏移量，后面加上角点坐标即可得到对应的位置。当\(\rho = 1\)时就是标准的RoI-grid表示，值越大，RoI范围越大，可以包含更多周围的点云，语义信息就越多。对于每个金字塔层级，后续通过RoI-grid Attention从兴趣点的特征中聚合网格点特征\(f_{grid}\)。最后会将所有层级的特征组合起来便于对预测框进行优化。
3.2 RoI-grid Attention
用于提取RoI-grid特征，结合了graph-based和attention-based的点算子的优势，RoI特征提取操作的目的是使用相邻点\(p_i\)和特征\(f_i\)的信息来获得RoI-grid点\(p_{grid}\)对应的特征向量\(f_{grid}\)。在介绍RoI-grid Attention前作者回顾了之前的方法：
符号说明
\(p_{grid}\) 表示RoI-grid坐标
\(p_i\)表示靠近\(p_{grid}\)的第i个点坐标
\(f_i\)表示靠近\(p_{grid}\)的第i个点对应的特征向量
Pooling-based算子
这个算子在PV-RCNN、Voxel-RCNN等一些两阶段网络中用于提取RoI特征，其大致步骤是先将相对坐标\(p_i - p_{grid}\) 和
\(p_grid\)点周围特征\(f_i\)相连，送入MLP得到特征\(V\)，最后对所有的做maxpooling，得到RoI-grid特征：
作者认为pooling-based的方法仅关注最大通道的相应，不可避免损失了很多的语义和几何信息。
Graph-based算子
这种方法将grid点和兴趣点建模为图的形式，图的节点用MLP提取周围\(f_i\)后的特征表示：
边表示为相对坐标的线性函数：
最后再通过加权来算出特征
Attention-based算子
在Graph-based的基础上学习出一个权重系数：
然后特征计算更改为：
最近的Point Transformer又进行了修改：
RoI-grid Attention
本文提出的RoI-grid Attention方法，主要是通过一个可学习的参数\(\sigma_{*}\)来决定使用上述的哪个算子。（让网络学习使用哪个方法更合适，哪些点对于grid point更重要），将上述方法结合到一起形成了以下特征计算方法。
在[0, 0, 1, 0]的情况下，是Attention-based的，在[1, 0, 0, 0]情况下，是Graph-based
3.3 Density-Aware Radius Prediction（DARP）
用于学习每个RoI的特征提取半径，实现依据密度自适应选择半径，而不是人为给定半径参数。
人为给定半径的方式
大体可以分为两个步骤，第一步依据给定半径选择出兴趣点周围的点
第二步再对选择的点进行加权组合。
DARP方法
提出一个新的分布\(s(i|r)\)来替代\(p(i|r)\),其同时包含inside和outside点：
当点\(p_i\)在半径范围内时，其趋近于1，在范围外时趋于0。
为了能够计算\(r\)的梯度，通过从基本分布中采样，并将原始分布参数的期望作为系数，则梯度可以按照下式计算：
最后DARP模块可以表示为：
对于金字塔的每一层级，首先通过加权RoI附近兴趣点的信息，得到context embedding；再利用这个embedding预测半径r；进一步将r转化为系数参与RoI-grid Attention的计算。
四、效果
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不同方案效果比较
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推理速度
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在KITTI数据集上可视化效果
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在Waymo Open数据集上可视化效果
