在本文中，研究者提出了一个完全稀疏且以体素为基础的3D物体检测和跟踪框架VoxelNeXt。它采用简单的技术，运行快速，没有太多额外的成本，并且可以在没有NMS后处理的情况下以优雅的方式工作。VoxelNeXt在大规模数据集nuScenes、Waymo和Argoverse2上表现出很好的速度和精度；在Argoverse2 3D检测和nuScenes 3D LiDAR跟踪上取得了SOTA的结果。
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论文链接：https://arxiv.org/abs/2303.11301
代码链接：https://github.com/dvlab-research/VoxelNeXt
一、摘要
目前，自动驾驶场景的3D检测方法大多采用稠密特征的检测头，而3D点云数据本身是稀疏的，这无疑是一种低效和浪费计算量的做法。我们提出了一种全稀疏的3D 检测框架 VoxelNeXt. 该方法可以直接从稀疏的体素特征来预测3D物体，无需借助成anchor, center, voting等中间状态的媒介。
此外，该方法在取得检测速度优势的同时，还能很好地帮助多目标跟踪。VoxelNeXt在大规模公开数据集nuScenes、Waymo、Argoverse2上都取得了很好的效果，并在Argoverse2 LiDAR 检测和nuScenes LiDAR多目标跟踪上取得SOTA。此外，VoxelNeXt由于其全稀疏的特性，能够很好地结合 Segment Anything [1]，在点击图像的同时不仅能获得2D mask，还能获得 3D box，可以在很大程度上方便3D物体的标注https://github.com/dvlab-research/3D-Box-Segment-Anything。
二、背景介绍
3D感知是自主驾驶系统中的一个基本组成部分。3D检测网络以稀疏点云或体素作为输入。大多数3D目标检测器[2, 3, 4]通常使用稀疏卷积网络（Sparse CNNs）[5]进行特征提取，因其效率高。受2D目标检测框架启发，现有的方法通常用锚点[2, 3]或中心点[4]来预测，即CenterPoint [4]中的密集点锚点。它们都是手工制作的，作为3D对象的中间代理。
然而，锚点和中心点设计初衷是针对常规和网格结构的图像数据，并不考虑三维数据的稀疏性和不规则性。为了使用这些代理表示法，主流的检测器将3D稀疏特征转换为二维密集特征，以构建有序锚点或中心的密集检测头。虽然有用，但这种dense head的方式显然是不够高效的。
图 1 CenterPoint 点云输入和BEV heatmap
在图1中，我们展示了CenterPoint[4]中的热力图。很明显，大部分空间几乎没有预测得分。由于固有的稀疏性和许多背景点，只有少数点有响应，在nuScenes验证集上Car类平均少于1％的点。然而，现有的检测头会在特征图中所有位置进行计算，它们不仅浪费了很多计算资源，还用冗余的预测使检测管道变得更加复杂。需要使用非极大值抑制（NMS）之类的后处理方法来消除重复的检测结果。这些限制促使我们寻求替代的稀疏检测解决方案。
图 2 VoxelNeX和主流检测框架结构对比
三 、方法介绍
在本文中，我们提出了VoxelNeXt。它是一种简单，高效且无需后处理的3D物体检测器。我们设计的核心是直接从体素特征中预测3D物体，使用一种强大的完全稀疏卷积网络。如图2所示，我们方法的关键优势在于，可以摆脱锚点代理，稀疏转密集，区域建议网络和其他复杂的组件。
图 3 VoxelNeXt 框架具体细节
VoxelNeXt 包含了4个实现细节：1) 多下采样两次，2) 将3D稀疏体素压缩成2D 稀疏体素，3）sparse max pooling (可以和NMS替代)，4）用3x3 sparse conv或FC来预测物体。
图 4 多下采样两次对于预测结果和感受野的影响
其中，“多下采样两次”是对于效果来说最重要的操作。想实现“从稀疏的体素直接预测物体”的前提是体素特征需要有足够大的感受野。而“多下采样两次”刚好弥补了感受野的不足，如图4所示。且非常好实现，也不会增加太多额外的计算量。
四 、实验分析
我们统计了用于预测物体的体素 (query voxel) 和相应预测框之间的关系表格，如表1所示。可以看出，大多数的物体都是基于靠近物体边界的体素预测出来的，而非靠近中心的体素。对于一些比较小的物体，如Pedestrian，甚至可以用物体以外的体素进行预测，如图5所示。
表 1 预测物体的体素和预测框之间的位置关系
图 5 预测物体的体素(query voxel)和预测框
我们还对比了和基于中心点预测的传统方法CenterPoint的结果，发现VoxelNeXt相比于CenterPoint的优势主要来自于在物体方向(Orientation)上的精准预测。相比于中心点，靠近物体边界的体素可能对物体方向有着更好的把控。
此外，我们还在Argoverse2数据集上进行了实验。相比于Waymo, nuScenes等75m半径的检测范围，Argoverse2最大的检测范围是200m半径。如图6所示，CenterPoint这种稠密的检测头会随着检测范围的增加而急剧增加。而FSD [5] 和 VoxelNeXt 这类全稀疏的检测器速度恒定，其中VoxelNeXt由于其简洁性，速度快。
图 6 在Argoverse2数据集上，不同检测范围消耗的计算时间
五 、结合 Segment Anything
图 7 结合Segment Anything和VoxelNeXt进行 promtable 3D检测
我们在 Segment Anything 的基础上加入了VoxelNeXt 3D物体检测。可以直接点击图像，不仅能获得2D mask，还能获得3D框。这样的结合把3D检测变成了promtable的，可以在很大程度上方便3D物体的标注。
六 、后记
我们提出了一个完全稀疏且以体素为基础的3D物体检测和跟踪框架VoxelNeXt。它采用简单的技术，运行快速，没有太多额外的成本，并且可以在没有NMS后处理的情况下以优雅的方式工作。我们首次展示了直接基于体素的预测是可行和有效的。因此，锚点或中心以及密集头变得不必要。VoxelNeXt在大规模数据集nuScenes [7]、Waymo [8] 和Argoverse2 [9] 上表现出很好的速度和精度。VoxelNeXt在Argoverse2 3D检测和nuScenes 3D LiDAR跟踪上取得了SOTA的结果。
参考文献
[1] Alexander Kirillov, Eric Mintun, Nikhila Ravi, Hanzi Mao, Chloe Rolland, Laura Gustafson, Tete Xiao, Spencer Whitehead, Alexander C. Berg, Wan-Yen Lo, Piotr Doll{'a}r, Ross Girshick
[2] Shaoshuai Shi, Chaoxu Guo, Li Jiang, Zhe Wang, Jianping Shi, Xiaogang Wang, and Hongsheng Li. PV-RCNN: pointvoxel feature set abstraction for 3d object detection. In CVPR, pages 10526–10535, 2020.
[3] Jiajun Deng, Shaoshuai Shi, Peiwei Li, Wengang Zhou, Yanyong Zhang, and Houqiang Li. Voxel R-CNN: towards high performance voxel-based 3d object detection. In AAAI, pages 1201–1209, 2021.
[4] Tianwei Yin, Xingyi Zhou, and Philipp Krahenbuhl. Centerbased 3d object detection and tracking. In CVPR, pages 11784–11793, 2021.
[5] Benjamin Graham, Martin Engelcke, and Laurens van der Maaten. 3d semantic segmentation with submanifold sparse convolutional networks. In CVPR, pages 9224–9232, 2018.
[6] Lue Fan, Feng Wang, Naiyan Wang, Zhaoxiang Zhang, Fully Sparse 3D Object Detection, NeurIPS 2022
[7] Holger Caesar and at.al. nuscenes: A multimodal dataset for autonomous driving. In CVPR, pages 11618–11628, 2020.
[8] Pei Sun and et. al. Scalability in perception for autonomous driving: Waymo open dataset. In CVPR, pages 2443–2451, 2020.
[9] Benjamin Wilson and et. al. Argoverse 2: Next generation datasets for self-driving perception and forecasting. In NeurIPS, 2021.
作者：陈玉康
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