[人工智能]OpenPCDet解析

一、OpenPCDet 简介

1.1 简介

OpenPCDet: Open-MMLab 面向LiDAR点云表征的3D目标检测代码库

OpenPCDet的github链接

• OpenPCDet 是一套基于PyTorch实现的点云3D目标检测代码库。

• 设计思想：点云数据集（KITTI、NuScene、Lyft、Waymo、PandaSet等）在数据格式与3D坐标系上往往定义各不相同，各式各样的点云感知算法（point-based、 voxel-based、one-stage/two-stage等）也形态各异
  因此基于数据-模型分离的顶层代码框架设计思想，设计一个统一的架构，使得相关研究者可以在一个统一的框架内进行各种组合实验。

1.2 数据-模型分离的顶层代码框架

PCDet定义了统一的规范化3D坐标表示贯穿整个数据处理与模型计算，从而将数据模块与模型处理模块完全分离。
具体框架如下图所示：

数据模型分离的优点：

• 研究者在研发不同结构模型时，统一使用标准化的3D坐标系进行各种相关处理（比如计算loss、RoI Pooling和模型后处理等），而无需理会不同数据集的坐标表示差异性
• 研究者在添加新数据集时，只需写少量代码将原始数据转化到标准化坐标定义下，PCDet将自动进行数据增强并适配到各种模型中。

1.3 统一的3D目标检测坐标定义

PCDet 中我们采用了固定的统一点云坐标系，以及更规范的3D检测框定义，贯穿整个数据增强、处理、模型计算以及检测后处理过程。3D检测框的7维信息定义如下：

3D bounding box: (cx, cy, cz, dx, dy, dz, heading)

每个维度解释如下：

• (cx, cy, cz) 为物体3D框的几何中心位置
• (dx, dy, dz)分别为物体3D框在heading角度为0时沿着x-y-z三个方向的长度
• heading为物体在俯视图下的朝向角 (沿着x轴方向为0度角，逆时针x到y角度增加)。
  

1.4 模块化模型拓扑设计

我们在PCDet中搭建3D目标检测框架只需要写config文件将所需模块定义清楚，然后PCDet将自动根据模块间的拓扑顺序组合为3D目标检测框架，来进行训练和测试。
模块化设计如下图所示：

PCDet可以支持目前已有的绝大多数面向LiDAR点云的3D目标检测算法，包括voxel-based，point-based，point-voxel hybrid以及one-stage/two-stage等等3D目标检测算法。 如下图所示：

二、 代码解析

2.1 框架介绍

文件结构如下图所示：

各个目录的作用如下：

2.2 数据处理流程

• 步骤1： __getitem__
  作用：从磁盘上加载数据并统一坐标系。
  如果只更换数据集，则需要重写__getitem__

• 步骤2： data_augmentor
  作用： 数据增强的方法，例如随机裁剪、随机旋转等…
  

• 步骤3：point_feature_encoder
  作用：选择一些特征的编码，输入的特征是points:(N,3+C_in) 经过选择和编码后，输出的特征是points:(N,3+C_out)
  

• 步骤4： data_processor
  作用：处理输入的数据，比如mask_point_boxes_outside_range、sample_points等
  

• 步骤5： collate_batch
  作用：将数据整理成batch

2.3 模型拓扑的依赖关系

建立model的过程在【pcdet/models/detectors/detector3d_template.py】中。

其中build_networks 是根据拓扑信息（module_topology）建立网络, 并保存在module list 中。

其中module_topology 的定义如下：

2.4 模型的前向传播和最优

以point_rcnn 为例，定义了一个PointRCNN的类，继承的是Detector3DTemplate的类。

• 前向传播

  • 首先遍历module_list, 通过topology 顺序的调用各个模型。如果是训练过程(training ), 则调用get_traing_loss 计算损失。如果是推理过程，则调用post_processing 进行后处理

• 最优化
  计算的损失包括两个部分

  • DETECTOR.get_training_loss()
  • HEAD.get_loss()

2.5 模型

2.5.1 detector

detector的存放位置：

对于所有detector的顶级模板如下

• 建立网络结构(Build_networks)
• 前向传播（Forword）
• 计算损失（Loss calculation）
• 后处理 （Post_processing：NMS+score threshold）

2.5.2 3D backbone network

backones_3d的存放位置：

3d主干网络的作用：提取基于体素的或者基于点云的特征。

3d主干网络主要有如下几种:

• 3d encoder with sparse convolution(with VFE）
  • 功能：通过稀疏卷积进行编码
  • 实例：VoxelBackBone8x、VolxelResBackBone8x
• 3d UNet with sparse convolution(with VFE)
  • 功能：通过稀疏网络进行编码和解码两个部分
  • 实例：UNetV2
• point-wise networks(PointNet++)
  • 功能: 用PointNet++ 直接提取点的特征
  • 实例：PointNet2MSG

2.5.3 2D Backbone network

backones_2d的存放位置：

2d主干网络的作用： 提取2d特征图。
3d主干网络主要有如下几种:

• Map_to_bev_module(把3d特征映射到2d上)
  • HeightCompression
  • PointPillarScatter
• 2d convolution encoder with FPN-like unsampling
  • BaseBEVBackbone

2.5.4 Denseheads

Denseheads的存放位置：

• 任务：生成dense 3d boxes, 真正进行检测的过程。
  AnchorHead包含如下两部分：
  • target assigning：对于每个anchor判断是否是正样本以及要朝着那个groud truth 回归。
  • head loss calculation：计算loss，包括分类和回归的损失。

分类：

• 基于BEV 特征的 Dense head （继承于AnchorHeadTemplate）
  • AnchorHeadSingle: 只输入一个特征图，基于anchor进行检测
  • AnchorHeadMulti：输入多个特征图,基于anchor检测
  • CentorHead：anchor- free检测，对于每个pixel输出一个检测框。
• 基于点特征的Dense head （继承于PointHeadTemplate）
  • PointHeadSimple： 只做分割，判断每个点是前景点还是背景点。
  • PointHeadBox： 不仅做分割，还做预测。对于每个点预测一个3d 的bonding box。
  • PointIntraPartOffsetHead： 除了分割和预测外，还可以预测Intra part offset

2.5.5 RoIHeads

RoIHeads的存放位置：

• 任务：Refine 3D proposals with RoI-aligned features
  • Extract RoI-aligned features
  • proposal_layer
  • ProposalTargetLayer
  • Head loss calcution
• 二阶段的ROI检测（继承于ROITemplate）
  • PointRCNNHead
  • PartA2Head
  • PVRCNNHead

2.6 配置文件

配置文件的存放路径：

通过.yaml文件进行多层次的配置。
例如如下图所示的pv_rcnn.yaml 是个整体的配置。其中嵌套了三个下一级的配置，包括DATA_CONFIG、MODEL、OPTIMIZATION

三、拓展开发

3.1 使用自定义的数据集

步骤如下：

1. 继承DatesetTemplate 写自己的DatasetModule
2. 重载self.__getitem__() 函数来加载点云或者gt_boxes, 并把它们转换成统一的坐标系。
3. 调用self.prepare_data() 去处理数据
4. 重载self.generate_prediction_dicts() 函数把预测结果转换成我们需要的格式。
5. 重载self.evaluation() 函数来评估模型的性能

3.2 使用自定义的模型

步骤如下：

1. 继承DetectorTemplate 来写自定义的detector
2. 写自定义的配置文件
3. 在对应的目录下写对应的模型
4. 重载forward() 函数
5. 重载get_training_loss() 函数