点云数据的方位角归一化方法

摘要：点云感知算法是安全鲁棒的自动驾驶系统中尤为重要的一环。在CVPR 2022上，地平线-华中科技大学计算机视觉联合实验室发表了研究成果Azimuth Normalization——以点云特有的径向对称性作为先验，对数据归一化，降低从点云中获取信息的难度。该归一化方法能与大多数感知算法结合，降低对训练数据的需求并提升性能上限，在三维场景感知中有着广泛的应用价值。

简介

从机器学习的角度考虑，数据中隐含的对称性能够作为算法的归纳偏置(inductive bias)，对于提升算法精度有很大的帮助。点云是三维场景理解中最重要的表示形式，本工作讨论了点云数据特有的径向对称性(Radial Symmetry)，并提出了针对点云数据的方位角归一化方法(Azimuth Normalization / AziNorm)。Azimuth Normalization采用了一种分而治之(Divide-and-conquer)的策略，灵活地分解全场景点云并在子点云上进行归一化。归一化后的子点云具有更简单的模式(pattern)，更容易被下游的感知算法识别。Azimuth Normalization具有很强的拓展性，能够应用在多种传感器产生的点云数据上(如LiDAR、RADAR、RGB-D camera)，能够与各类感知算法(如检测、分割)结合并且不需要改变具体算法的实现细节和超参数。Azimuth Normalization能够显著提升感知算法的数据效率(Data Efficiency)，收敛速度和性能上限，如图1所示，AziNorm与SECOND [1] 检测算法结合提升明显，仅用10%的数据量或迭代次数就优于充分训练的SECOND。

图1 数据效率、收敛速度和性能上限

径向对称性

径向对称性与产生点云数据的传感器(LiDAR / RADAR /RGB-D camera)的工作原理高度相关。以LiDAR为例，如图2，LiDAR始终沿着径向(法向)方向向各个方位角发射电磁波，电磁波触碰到障碍物表面后反射，沿着径向方向反射的回波最终被LiDAR接收，形成点云。因此，产生的点云在径向方向上具有明显的对称性(如图2中，地面的点云对称性明显)。

图2 径向对称性(Radial Symmetry)

算法流程

Azimuth Normalization采用了分治的策略，具体流程如下(流程图见图3)：

Patch Splitting：把整个感知范围拆分为相互重叠的块(patch)， 把全场景的点云规则地分解为子点云;

Patch Filtering：滤除不包含点云的patch、只含地面点的patch(点云具有稀疏性、不均匀性)，避免不必要的计算开销;

Normalization：对子点云进行平移变换、旋转变换(对每个点的3D坐标进行)，统一各个patch的径向方向;

Patch-wise Perception：在patch level调用现成的感知算法(point-based、voxel-based、hybrid)，不需要改变实现细节和超参数;

Inverse Normalization：把感知结果逆变换回原本的LiDAR坐标系;

Patch Merging：融合各个patch结果，对于不同的感知任务可以采用不同的融合策略，例如，对于检测采用非极大值抑制(NMS)，对于分割采用逐点平均。

图3 算法流程

实验结果

1. 点云检测和点云分割表1和表2是Azimuth Normalization在点云检测和分割两个感知任务上的实验结果。值得注意的是，对于检测难度大的类别(点稀疏、训练样本数量少)，如pedestrian和cyclist，Azimuth Normalization能够带来更明显的增益。Azimuth Normalization极大地简化点云数据中的模式(pattern)，消除方位角带来的差异，在归一化后，难类别检测难度显著降低。

表1 点云检测算法SECOND [1] 和PV-RCNN [2] 在Waymo val set上的实验结果

表2 点云分割算法KPConv [3] 在SemanticKitti val set和test set上的实验结果

2. 归一化粒度(Normalization Granularity)图4展示了另一种分治策略，被称之为扇形区域归一化(Sectorial Normalization)。点云被均匀划分为扇形区域，并通过旋转统一径向方向。表3对比了Sectorial Normalization和Azimuth Normalization。4- 和8- Sectorial Normalization 把方位角的变化范围分别缩小到了90º和45º，而Azimuth Normalization的归一化粒度更小，因此性能提升更明显。

图4 扇形区域归一化(Sectorial Normalization)

表3 归一化粒度 (Normalization Granularity)

3. 消融实验表4是相关的消融实验，验证了Azimuth Normalization的性能提升主要来自于旋转变换，即对径向方向的归一化，以及Azimuth Normalization对patch的形状layout、尺寸radius、间距stride的选择不敏感。

表4 消融实验

总结

Azimuth Normalization利用径向对称性对点云数据进行归一化，带来在数据效率、收敛速度、性能上限三个方面的提升，能够减少感知算法对于数据量的需求，降低标注成本，并且在对感知精度要求高的离线应用场景中有较大的应用价值，如自动标注(Auto Labeling)和生成高精地图(HD Maps)。

原文标题：CVPR 2022 | 基于径向对称性和分治策略的点云方位角归一化

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审核编辑：汤梓红