基于激光雷达的全稀疏3D物体检测器

介绍一下我们组前段时间的一个微小工作

Fully Sparse 3D Object Detection (NeurIPS 2022)

Authors：Lue Fan，王峰, 王乃岩，Zhaoxiang Zhang

论文：https://arxiv.org/abs/2207.10035

代码已经开源在：

https://github.com/tusen-ai/SST

长话短说，我们提出了一种基于激光雷达的全稀疏3D物体检测器，在Waymo数据集和Argoverse 2数据集上都达到了不错的精度和速度。下面是一个简要的介绍。

一、导言

目前以SECOND，PointPillars以及CenterPoint为代表的主流一阶段点云物体检测器都或多或少依赖致密特征图（dense feature map）。这些方法基本都会把稀疏体素特征“拍成“dense BEV feature map。这样做可以沿用2D检测器的很多套路，取得了非常不错的性能。但是由于dense feature map的计算量和检测范围的平方成正比，使得这些检测器很难scale up到大范围long-range检测场景中。比如新出的Argoverse 2数据集具有[-200, 200] x [-200, 200]的理论检测范围，比常用的不超过[-75. 75] x [-75, 75]的范围大了许多。于是便引出了本文想解决的一个痛点问题：

如何去掉这些dense feature map，把检测器做成fully sparse的，以此高效地实现 long-range LiDAR detection？

这里补一句：全稀疏其实并不是一个新概念，在点云物体检测发展的早期，以PointRCNN为代表的众多纯point-based 方法天生就是全稀疏的。但由于Neighborhood query和FPS的存在，纯point-based方法在大规模点云数据上的效率不是很理想。这就导致纯point-based方法在点云规模较大的benchmark上性能表现不佳（没办法用较大的模型和分辨率。）

而去掉dense feature map的一个直接问题就是会导致物体中心特征的缺失（center feature missing）。这是由于点云常常分布在物体的侧表面，对于大物体尤其如此。在dense detector中，多层的卷积会把物体边缘的有效特征扩散到物体中心，因此这些检测器不存在直接的中心特征缺失问题，可以使用已被证明非常有效的center assignment。下图展示了特征扩散的过程：

为了解决在全稀疏结构下中心特征缺失的问题，我们有一个基本想法：

既然中心特征缺失了，那么就不依靠中心特征做预测，而是依靠物体整体的有效特征做预测。

二、方法

顺着上面的基本想法，一个具体的思路就是先把物体分割出来，再将物体当作一个整体，并用稀疏的方式提取特征。第一步的分割在全稀疏的结构下很好实现，接下来物体特征的提取也可以通过众多成熟的point-based方法实现。那么我们的方法就呼之欲出了：

sparse voxel encoder作为backbone和segmentor来分割物体并预测每个点所对应的物体中心

对预测出来的众多中心点进行聚类，得到一个一个的instance。这一步类似VoteNet，但我们采用了connected component labeling的方式来聚类，这一点其实对大物体性能挺重要的。

对于每一个instance用稀疏的方式提取整体特征，并进行该instance外接框的reasoning。

前两步都很简单直接，但第三步稍有麻烦。对instance提取特征最常用的选择就是在instance内部做point-based operation, 但是之前提到这类方法效率较低。因此我们试图规避其中诸如neighborhood query和FPS这种比较耗时的操作。我们的想法是，既然已经得到了一个个instance，何不直接将instance作为一个一个独立neighborhood group，扔掉进一步的ball query或者KNN操作。

这样做实质上是把instance当成了“voxel”来处理，因为instance和voxel本质上都属于对整个点云的一种non-overlapping划分。那么我们就可以直接套用提取单个体素特征那一套方案来提取instance特征，比如Dynamic VFE。具体而言，就是对instance内的每个点做MLP，再做instance-wise的pooling得到instance feature。instance feature又可以重新assign到instance内部的每个point上，这一过程可以不断重复。这本质上是多个简单的PointNet叠加，也可以换成其他更强力的操作。值得强调的是，由于3D空间里instance之间天然不会重叠（正如同voxel），以上的pooling操作可以通过torch中scatter operation来高效地动态实现（无需对每个组进行padding或者设置点数上限）。

得到最终的instance feature之后，直接预测对应instance的外接框和类别即可，我们将整个对instance进行处理的模块称之为 Sparse Instance Recognition （SIR）。

方法总体框架如下图所示：

Overall Pipeline

这其中还包含着一些后续操作，比如对重新分割出比聚类得到的更准确的instance，感兴趣的读者可以查看原文。

三、结果

提出的方法在Waymo的单帧单模型标准赛道上达到了SOTA的性能

Waymo validation 上的性能，截图不全，感兴趣的读者可查看原论文

同时也在新出的Argoverse 2数据集上超越了主流的CenterPoint（虽然还没几个人刷。。）。

值得多提一嘴的是我们的方法在长距离检测上有巨大的效率优势，如下图所示

这是用SST backbone测的，用SparseConv的backbone效果更佳

四、一些特性

我们的方法不受sparse backbone的类型限制，比如文中我们就使用了sparse transformer和sparse conv两种结构。这一点使得FSD可以作为sparse backbone方面研究的一个strong baseline。

该方法虽然暂时聚焦在检测任务，但已经有了multi task的影子，可以把segmentation和detection一体化。

前向速度很快，再加上收敛也极快，Waymo上训练6个epoch就可以达到准sota水平。这在8 x 3090上只需要不到半天时间，其他方法达到相同性能可能需要至少2天的训练时间。这应该会给大家的快速实验迭代提供很大便利。

我们相信稀疏化是将来的一个趋势。在很多场景下，sparse feature都比相比笨重的dense feature map具有更高的可操作性和灵活性，欢迎大家试用我们的模型。

审核编辑 ：李倩