多特征融合与残差优化的点云语义分割方法

目的 当前的大场景3维点云语义分割方法一般是将大规模点云切成点云块再进行处理。然而在实际计算过程中,切割边界的几何特征容易被破坏,使得分割结果呈现明显的边界现象。因此,迫切需要以原始点云作为输入的高效深度学习网络模型,用于点云的语义分割。方法 为了解决该问题,提出基于多特征融合与残差优化的点云语义分割方法。网络通过一个多特征提取模块来提取每个点的几何结构特征以及语义特征,通过对特征的加权获取特征集合。在此基础上,引入注意力机制优化特征集合,构建特征聚合模块,聚合点云中最具辨别力的特征。最后在特征聚合模块中添加残差块,优化网络训练。最终网络的输出是每个点在数据集中各个类别的置信度。结果 本文提出的残差网络模型在S3DIS （Stanford Large-scale 3D Indoor Spaces Dataset）与户外场景点云分割数据集Semantic3D等2个数据集上与当前的主流算法进行了分割精度的对比。在S3DIS数据集中,本文算法在全局准确率以及平均准确率上均取得了较高精度,分别为87.2%,81.7%。在Semantic3D数据集上,本文算法在全局准确率和平均交并比上均取得了较高精度,分别为93.5%,74.0%,比GACNet （graph attention convolution network）分别高1.6%,3.2%。结论 实验结果验证了本文提出的残差优化网络在大规模点云语义分割的应用中,可以缓解深层次特征提取过程中梯度消失和网络过拟合现象并保持良好的分割性能。     

融合图卷积和差异性池化函数的点云数据分类分割模型

目的 深度网络用于3维点云数据的分类分割任务时,精度与模型在全局和局部特征上的描述能力密切相关。现有的特征提取网络,往往将全局特征和不同尺度下的局部特征相结合,忽略了点与点之间的结构信息和位置关系。为此,通过在分类分割模型中引入图卷积神经网络（graph convolution neural network,GCN）和改进池化层函数,增强局部特征表征能力和获取更丰富的全局特征,改善模型对点云数据的分类分割性能。方法 GCN模块通过K近邻算法构造图结构,利用相邻点对的边缘卷积获取局部特征,在深度网络模型中动态扩展GCN使模型获得完备的局部特征。在池化层,通过选择差异性的池化函数,联合提取多个全局特征并进行综合,保证模型在数据抖动时的鲁棒性。结果 在ModelNet40、ShapeNet和S3DIS（stanford large-scale 3D indoor semantics）数据集上进行分类、部分分割以及语义场景分割实验,验证模型的分类分割性能。与PointNet相比,在ModelNet40分类实验中,整体精度和平均分类精度分别提升4%和3.7%;在ShapeNet部分分割数据集和S3DIS室内场景数据集中,平均交并比（mean intersection-over-union, mIoU）分别高1.4%和9.8%。采用不同的池化函数测试结果表明,本文提出的差异性池化函数与PointNet提出的池化函数相比,平均分类精度提升了0.9%,有效改善了模型性能。结论 本文改进的网络模型可以有效获取点云数据中的全局和局部特征,实现更优的分类和分割效果。     

结合语义分割与模型匹配的室内场景重建方法

目的 由于室内点云场景中物体的密集性、复杂性以及多遮挡等带来的数据不完整和多噪声问题,极大地限制了室内点云场景的重建工作,无法保证场景重建的准确度。为了更好地从无序点云中恢复出完整的场景,提出了一种基于语义分割的室内场景重建方法。方法 通过体素滤波对原始数据进行下采样,计算场景三维尺度不变特征变换（3D scale-invariant feature transform,3D SIFT）特征点,融合下采样结果与场景特征点从而获得优化的场景下采样结果;利用随机抽样一致算法（random sample consensus,RANSAC）对融合采样后的场景提取平面特征,将该特征输入PointNet网络中进行训练,确保共面的点具有相同的局部特征,从而得到每个点在数据集中各个类别的置信度,在此基础上,提出了一种基于投影的区域生长优化方法,聚合语义分割结果中同一物体的点,获得更精细的分割结果;将场景物体的分割结果划分为内环境元素或外环境元素,分别采用模型匹配的方法、平面拟合的方法从而实现场景的重建。结果 在S3DIS （Stanford large-scale 3D indoor space dataset）数据集上进行实验,本文融合采样算法对后续方法的效率和效果有着不同程度的提高,采样后平面提取算法的运行时间仅为采样前的15%;而语义分割方法在全局准确率（overall accuracy,OA）和平均交并比（mean intersection over union,mIoU）两个方面比PointNet网络分别提高了2.3%和4.2%。结论 本文方法能够在保留关键点的同时提高计算效率,在分割准确率方面也有着明显提升,同时可以得到高质量的重建结果。     

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。     

多尺度特征融合工件目标语义分割

目的 目标语义特征提取效果直接影响图像语义分割的精度,传统的单尺度特征提取方法对目标的语义分割精度较低,为此,提出一种基于多尺度特征融合的工件目标语义分割方法,利用卷积神经网络提取目标的多尺度局部特征语义信息,并将不同尺度的语义信息进行像素融合,使神经网络充分捕获图像中的上下文信息,获得更好的特征表示,有效实现工件目标的语义分割。方法 使用常用的多类工件图像定义视觉任务,利用残差网络模块获得目标的单尺度语义特征图,再结合本文提出的多尺度特征提取方式获得不同尺度的局部特征语义信息,通过信息融合获得目标分割图。使用上述方法经多次迭代训练后得到与视觉任务相关的工件目标分割模型,并对训练权重与超参数进行保存。结果 将本文方法和传统的单尺度特征提取方法做定性和定量的测试实验,结果表明,获得的分割网络模型对测试集中的目标都具有较精确的分割能力,与单尺度特征提取方法相比,本文方法的平均交并比mIOU（mean intersection over union）指标在验证集上训练精度提高了4.52%,在测试集上分割精度提高了4.84%。当测试样本中包含的目标种类较少且目标边缘清晰时,本文方法能够得到更精准的分割结果。结论 本文提出的语义分割方法,通过多尺度特征融合的方式增强了神经网络模型对目标特征的提取能力,使训练得到的分割网络模型比传统的单尺度特征提取方式在测试集上具有更优秀的性能,从而验证了所提出方法的有效性。     

结合空间深度卷积和残差的大尺度点云场景分割

目的 在点云场景中,语义分割对场景理解来说是至关重要的视觉任务。由于图像是结构化的,而点云是非结构化的,点云上的卷积通常比图像上的卷积更加困难,会消耗更多的计算和内存资源。在这种情况下,大尺度场景的分割往往需要分块进行,导致效率不足并且无法捕捉足够的场景信息。为了解决这个问题,本文设计了一种计算高效且内存高效的网络结构,可以用于端到端的大尺度场景语义分割。方法 结合空间深度卷积和残差结构设计空间深度残差（spatial depthwise residual,SDR）块,其具有高效的计算效率和内存效率,并且可以有效地从点云中学习到几何特征。另外,设计一种扩张特征整合（dilated feature aggregation,DFA）模块,可以有效地增加感受野而仅增加少量的计算量。结合SDR块和DFA模块,本文构建SDRNet（spatial depthwise residual network）,这是一种encoder-decoder深度网络结构,可以用于大尺度点云场景语义分割。同时,针对空间卷积核输入数据的分布不利于训练问题,提出层级标准化来减小参数学习的难度。特别地,针对稀疏雷达点云的旋转不变性,提出一种特殊的SDR块,可以消除雷达数据绕Z轴旋转的影响,显著提高网络处理激光雷达点云时的性能。结果 在S3DIS（stanford large-scale 3D indoor space）和SemanticKITTI（Karlsruhe Institute of Technology and Toyota Technological Institute）数据集上对提出的方法进行测试,并分析点数与帧率的关系。本文方法在S3DIS数据集上的平均交并比（mean intersection over union,mIoU）为71.7%,在SemanticKITTI上的mIoU在线单次扫描评估中达到59.1%。结论 实验结果表明,本文提出的SDRNet能够直接在大尺度场景下进行语义分割。在S3DIS和SemanticKITTI数据集上的实验结果证明本文方法在精度上有较好表现。通过分析点数量与帧率之间的关系,得到的数据表明本文提出的SDRNet能保持较高精度和较快的推理速率。     

结合特征图切分的图像语义分割

目的 基于全卷积神经网络的图像语义分割研究已成为该领域的主流研究方向。然而,在该网络框架中由于特征图的多次下采样使得图像分辨率逐渐下降,致使小目标丢失,边缘粗糙,语义分割结果较差。为解决或缓解该问题,提出一种基于特征图切分的图像语义分割方法。方法 本文方法主要包含中间层特征图切分与相对应的特征提取两部分操作。特征图切分模块主要针对中间层特征图,将其切分成若干等份,同时将每一份上采样至原特征图大小,使每个切分区域的分辨率增大;然后,各个切分特征图通过参数共享的特征提取模块,该模块中的多尺度卷积与注意力机制,有效利用各切块的上下文信息与判别信息,使其更关注局部区域的小目标物体,提高小目标物体的判别力。进一步,再将提取的特征与网络原输出相融合,从而能够更高效地进行中间层特征复用,对小目标识别定位、分割边缘精细化以及网络语义判别力有明显改善。结果 在两个城市道路数据集CamVid以及GATECH上进行验证实验,论证本文方法的有效性。在CamVid数据集上平均交并比达到66.3%,在GATECH上平均交并比达到52.6%。结论 基于特征图切分的图像分割方法,更好地利用了图像的空间区域分布信息,增强了网络对于不同空间位置的语义类别判定能力以及小目标物体的关注度,提供更有效的上下文信息和全局信息,提高了网络对于小目标物体的判别能力,改善了网络整体分割性能。     

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。     

时序特征融合的视频实例分割

目的 随着移动互联网和人工智能的蓬勃发展,海量的视频数据不断产生,如何对这些视频数据进行处理分析是研究人员面临的一个挑战性问题。视频中的物体由于拍摄角度、快速运动和部分遮挡等原因常常表现得模糊和多样,与普通图像数据集的质量存在不小差距,这使得对视频数据的实例分割难度较大。目前的视频实例分割框架大多依靠图像检测方法直接处理单帧图像,通过关联匹配组成同一目标的掩膜序列,缺少对视频困难场景的特定处理,忽略对视频时序信息的利用。方法 本文设计了一种基于时序特征融合的多任务学习视频实例分割模型。针对普通视频图像质量较差的问题,本模型结合特征金字塔和缩放点积注意力机制,在时间上把其他帧检测到的目标特征加权聚合到当前图像特征上,强化了候选目标的特征响应,抑制背景信息,然后通过融合多尺度特征丰富了图像的空间语义信息。同时,在分割网络模块增加点预测网络,提升了分割准确度,通过多任务学习的方式实现端到端的视频物体同时检测、分割和关联跟踪。结果 在YouTube-VIS验证集上的实验表明,与现有方法比较,本文方法在视频实例分割任务上平均精度均值提高了2%左右。对比实验结果证明提出的时序特征融合模块改善了视频分割的效果。结论 针对当前视频实例分割工作存在的忽略对视频时序上下文信息的利用,缺少对视频困难场景进行处理的问题,本文提出融合时序特征的多任务学习视频实例分割模型,提升对视频中物体的分割效果。