摘要：點云感知算法是安全魯棒的自動駕駛系統中尤為重要的一環。在CVPR 2022上，地平線-華中科技大學計算機視覺聯合實驗室發表了研究成果Azimuth Normalization——以點云特有的徑向對稱性作為先驗，對數據歸一化，降低從點云中獲取信息的難度。該歸一化方法能與大多數感知算法結合，降低對訓練數據的需求并提升性能上限，在三維場景感知中有著廣泛的應用價值。

簡介

從機器學習的角度考慮，數據中隱含的對稱性能夠作為算法的歸納偏置(inductive bias)，對于提升算法精度有很大的幫助。點云是三維場景理解中最重要的表示形式，本工作討論了點云數據特有的徑向對稱性(Radial Symmetry)，并提出了針對點云數據的方位角歸一化方法(Azimuth Normalization / AziNorm)。Azimuth Normalization采用了一種分而治之(Divide-and-conquer)的策略，靈活地分解全場景點云并在子點云上進行歸一化。歸一化后的子點云具有更簡單的模式(pattern)，更容易被下游的感知算法識別。Azimuth Normalization具有很強的拓展性，能夠應用在多種傳感器產生的點云數據上(如LiDAR、RADAR、RGB-D camera)，能夠與各類感知算法(如檢測、分割)結合并且不需要改變具體算法的實現細節和超參數。Azimuth Normalization能夠顯著提升感知算法的數據效率(Data Efficiency)，收斂速度和性能上限，如圖1所示，AziNorm與SECOND [1] 檢測算法結合提升明顯，僅用10%的數據量或迭代次數就優于充分訓練的SECOND。

圖1 數據效率、收斂速度和性能上限

徑向對稱性

徑向對稱性與產生點云數據的傳感器(LiDAR / RADAR /RGB-D camera)的工作原理高度相關。以LiDAR為例，如圖2，LiDAR始終沿著徑向(法向)方向向各個方位角發射電磁波，電磁波觸碰到障礙物表面后反射，沿著徑向方向反射的回波最終被LiDAR接收，形成點云。因此，產生的點云在徑向方向上具有明顯的對稱性(如圖2中，地面的點云對稱性明顯)。

圖2 徑向對稱性(Radial Symmetry)

算法流程

Azimuth Normalization采用了分治的策略，具體流程如下(流程圖見圖3)：

Patch Splitting：把整個感知范圍拆分為相互重疊的塊(patch)， 把全場景的點云規則地分解為子點云;

Patch Filtering：濾除不包含點云的patch、只含地面點的patch(點云具有稀疏性、不均勻性)，避免不必要的計算開銷;

Normalization：對子點云進行平移變換、旋轉變換(對每個點的3D坐標進行)，統一各個patch的徑向方向;

Patch-wise Perception：在patch level調用現成的感知算法(point-based、voxel-based、hybrid)，不需要改變實現細節和超參數;

Inverse Normalization：把感知結果逆變換回原本的LiDAR坐標系;

Patch Merging：融合各個patch結果，對于不同的感知任務可以采用不同的融合策略，例如，對于檢測采用非極大值抑制(NMS)，對于分割采用逐點平均。

圖3 算法流程

實驗結果

1. 點云檢測和點云分割表1和表2是Azimuth Normalization在點云檢測和分割兩個感知任務上的實驗結果。值得注意的是，對于檢測難度大的類別(點稀疏、訓練樣本數量少)，如pedestrian和cyclist，Azimuth Normalization能夠帶來更明顯的增益。Azimuth Normalization極大地簡化點云數據中的模式(pattern)，消除方位角帶來的差異，在歸一化后，難類別檢測難度顯著降低。

表1 點云檢測算法SECOND [1] 和PV-RCNN [2] 在Waymo val set上的實驗結果

表2 點云分割算法KPConv [3] 在SemanticKitti val set和test set上的實驗結果

2. 歸一化粒度(Normalization Granularity)圖4展示了另一種分治策略，被稱之為扇形區域歸一化(Sectorial Normalization)。點云被均勻劃分為扇形區域，并通過旋轉統一徑向方向。表3對比了Sectorial Normalization和Azimuth Normalization。4- 和8- Sectorial Normalization 把方位角的變化范圍分別縮小到了90o和45o，而Azimuth Normalization的歸一化粒度更小，因此性能提升更明顯。

圖4 扇形區域歸一化(Sectorial Normalization)

表3 歸一化粒度 (Normalization Granularity)

3. 消融實驗表4是相關的消融實驗，驗證了Azimuth Normalization的性能提升主要來自于旋轉變換，即對徑向方向的歸一化，以及Azimuth Normalization對patch的形狀layout、尺寸radius、間距stride的選擇不敏感。

表4 消融實驗

總結

Azimuth Normalization利用徑向對稱性對點云數據進行歸一化，帶來在數據效率、收斂速度、性能上限三個方面的提升，能夠減少感知算法對于數據量的需求，降低標注成本，并且在對感知精度要求高的離線應用場景中有較大的應用價值，如自動標注(Auto Labeling)和生成高精地圖(HD Maps)。

原文標題：CVPR 2022 | 基于徑向對稱性和分治策略的點云方位角歸一化

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審核編輯：湯梓紅