SMOKE: Single-Stage Monocular 3D Object Detection via Keypoint Estimation

纵目发表的这篇单目3D目标检测论文不同于以往用2D预选框建立3D信息,而是采取直接回归3D信息,这种思路简单又高效,并不需要复杂的前后处理,而且是一种one stage方法,对于实际业务部署也很友好。

来源:杰读源码 微信公众号

论文:SMOKE: Single-Stage Monocular 3D Object Detection via Keypoint Estimation

  • 论文:https://arxiv.org/pdf/2002.10111.pdf
  • 代码:https://github.com/open-mmlab/mmdetection3d

Introduction


2D目标检测目前已经在精度和速度上都取得了不错的成绩,而3D目标检测由于需要同时估计出目标的位置与姿态,因此相比2D是一个更具挑战的方向。
目前性能最好的3D目标检测还是需要依赖激光雷达的点云或者点云+图像融合,考虑到成本因素,仅依靠单目摄像头的3D目标检测还是非常值得研究的。
本作有以下几个贡献点:

  • 提出了一个one-stage单目3D检测方法,思路简答,且end-to-end。
  • 3D框8个角点的计算使用了多种方式得到,每种方式都参与了loss的计算,使训练更容易收敛。
  • 在KITTI数据集上达到了SOTA。

Detection Problem


为了方便下面对细节详细展开描述,这里先将3D目标检测概述下:
给定一张RGB图像I∈RW×H×3I\in R^{W\times H\times3}IRW×H×3WWWHHH分别代表图像的宽高,需要识别出图像中每个目标的分类CCC以及3D3D3DBBB的信息,BBB将由下面7个变量代表(h,w,l,x,y,z,θ)(h,w,l,x,y,z,\theta)(h,w,l,x,y,z,θ)(h,w,l)(h,w,l)(h,w,l)代表目标的高度、宽度、长度单位为mmm(x,y,z)(x,y,z)(x,y,z)是目标的中心坐标,单位为mmmθ\thetaθ代表目标框的航向角yawyawyawrowrowrowpitchpitchpitch这两个角度在KITTI数据集中为0,此外,还假定相机的内参KKK是已知的。

SMOKE Approach


Backbone

主干网络选择使用DLA-34,其中部分卷积换成了DCN,最后的输出相对于原始图4次下采样的特征图。论文还将BN换成了GN(GroupNorm),因为GN对batch size的大小不那么敏感,且在训练中对噪声更鲁棒。

3D Detection Network

head部分一共两条分支,一条用于检测目标中心点位置同时分类,另一条回归目标的3D信息。

Keypoint Branch

中心点的估计与CenterNetCenterNetCenterNet那片论文的思路相似,不同的是CenterNetCenterNetCenterNet里用的是2D框的中心点,而这里用的是3D框的中心点在图像上的投影点,如下图所示:

Regression Branch

回归分支在每张热图上预测3D信息,3D信息被编码成τ=[δz,δxc,δyc,δh,δw,δl,sinα,cosα]T\tau=[\delta_z,\delta_{x_c},\delta_{y_c},\delta_h,\delta_w,\delta_l,sin\alpha,cos\alpha]^Tτ=[δz,δxc,δyc,δh,δw,δl,sinα,cosα]T,其中δz\delta_zδz为深度补偿值,δx\delta_xδxδy\delta_yδy为下采样造成的误差所需的坐标补偿值,δh\delta_hδhδw\delta_wδwδl\delta_lδl为尺寸的补偿值,sin(α)sin(\alpha)sin(α)cos(α)cos(\alpha)cos(α)为计算航向角所需的值。

深度值zzz由预先定义的缩放系数和补偿值计算得到:

z=μ+δzσzz=\mu+\delta_z\sigma_zz=μ+δzσz

得到了深度值zzz,加上下采样中的补偿值[δxc,δyc]T[\delta_{x_c},\delta_{y_c}]^T[δxc,δyc]T和特征图上中心点的投影点[xc,yc]T[x_c,y_c]^T[xc,yc]T以及相机内参的逆矩阵K3∗3−1K^{-1}_{3*3}K331,可得目标的3D位置(单位mmm):
[xyz]=K3×3−1[z⋅(xc+δxc)z⋅(yc+δyc)z]\begin{bmatrix} {x}\\ {y}\\ {z}\\ \end{bmatrix}=K^{-1}_{3\times3}\begin{bmatrix} {z\cdot(x_c+\delta_{x_c})}\\ {z\cdot(y_c+\delta_{y_c})}\\ {z}\\ \end{bmatrix}xyz=K3×31z(xc+δxc)z(yc+δyc)z

在3D框尺寸的计算前,先分析整个数据集得到得到所有目标的均值[hˉ]T[\bar{h}]^T[hˉ]T,然后使用预测得到的补偿系数[δh,δw,δl][\delta_h,\delta_w,\delta_l][δh,δw,δl]即可获取真正的尺寸:
[hwl]=[hˉ⋅eδhwˉ⋅eδwlˉ⋅eδl]\begin{bmatrix} {h}\\ {w}\\ {l}\\ \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} {\bar{h}\cdot{e^{\delta_h}}}\\ {\bar{w}\cdot{e^{\delta_w}}}\\ {\bar{l}\cdot{e^{\delta_l}}}\\ \end{bmatrix}hwl=hˉeδhwˉeδwlˉeδl

在航向角θ\thetaθ的估计中,论文中采取回归角度αz\alpha_zαz(如下图),来作为计算航向角θ\thetaθ:
θ=αz+arctan(xz)\theta=\alpha_z+arctan(\frac{x}{z})θ=αz+arctan(zx)

最终,可得3D框的8个角点:
B=Rθ[±h/2±w/2±l/2]+[xyz]B=R_{\theta}\begin{bmatrix} {\pm{h/2}}\\ {\pm{w/2}}\\ {\pm{l/2}}\\ \end{bmatrix}+\begin{bmatrix} {x}\\ {y}\\ {z}\\ \end{bmatrix}B=Rθ±h/2±w/2±l/2+xyz
其中RθR_{\theta}Rθ代表航向角θ\thetaθ转变而来的矩阵,BBB代表8个角点表示的3D框。

Loss Function

Keypoint Classification分支的loss跟CenterNetCenterNetCenterNet中一样,用的是focal loss。

Regression分支的loss计算比较有新意,没有采取直接计算τ\tauτ中8个参数的loss,而是通过在角度、尺寸、坐标位置三种分支下得到的3D框的8个角点去和真值比较计算loss。

总loss:

L=Lcls+∑i=13Lreg(B^i)L=L_{cls}+\sum_{i=1}^3L_{reg}(\hat{B}_i)L=Lcls+i=13Lreg(B^i)
其中LclsL_{cls}Lcls代表中心点的分类loss,iii代表分支,B^i\hat{B}_iB^i代表预测框的8个角点,LregL_{reg}Lreg代表角点回归loss。

# mmdetection3d/mmdet3d/models/dense_heads/smoke_mono3d_head.py
# 角度分支下计算得到的3D框,所谓角度分支即只有角度用的是预测值,而坐标位置和尺寸两个用的是真值
bbox3d_yaws = self.bbox_coder.encode(gt_locations, gt_dimensions, orientations, img_metas)
# 尺寸分支下计算得到的3D框
bbox3d_dims = self.bbox_coder.encode(gt_locations, dimensions, gt_orientations, img_metas)
# 坐标位置分支下计算得到的3D框
bbox3d_locs = self.bbox_coder.encode(locations, gt_dimensions, gt_orientations, img_metas)
...
...
# 三种分支下分别计算推理出的8个角点的和真值8个角点的loss
loss_bbox_oris = self.loss_bbox(pred_bboxes['ori'].corners[reg_inds, ...], target_labels['gt_cors'][reg_inds, ...])

loss_bbox_dims = self.loss_bbox(pred_bboxes['dim'].corners[reg_inds, ...], target_labels['gt_cors'][reg_inds, ...])

loss_bbox_locs = self.loss_bbox(pred_bboxes['loc'].corners[reg_inds, ...], target_labels['gt_cors'][reg_inds, ...])

loss_bbox = loss_bbox_dims + loss_bbox_locs + loss_bbox_oris

Conclusion


纵目发表的这篇单目3D目标检测论文不同于以往用2D预选框建立3D信息,而是采取直接回归3D信息,这种思路简单又高效,并不需要复杂的前后处理,而且是一种one stage方法,对于实际业务部署也很友好。

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