CVPR2019论文解读：单眼提升2D检测到6D姿势和度量形状
ROI-10D: Monocular Lifting of 2D Detection to 6D Pose and Metric Shape
论文链接地址：https://arxiv.org/pdf/1812.02781.pdf
摘要内容：
本文提供了基于端到端单目3D目标检测和度量形状检索的深度学习方法。为了在3D中提升2D检测，定位，以及缩放，提出了一种新的loss函数。不同于各自独立的优化这些数量，3D示例允许适当的度量boxes的不一致性。实验结果显示，10维稀疏2D兴趣域Regions of Interests (RoIs)提升在6D姿态和示例纹理几何测量中都取得很好的效果。这也能够通过直接在2D场景上修复恢复的网格来增强数据。对照在KITTI 3D数据上别的单目方案，本文的方案基于官方正规的数据集上，在3D姿态测试结果达到双倍的AP。
1．introduction
文章提出了一种度量精确的单目3D目标检测端对端方法。
主要贡献有三点：
一种度量精确的单目3D目标检测端对端方法，包括一种可微分的2D ROI到3D ROI 提升映射，并提供了用于回归3D box 实例的所有组件；
一种用于在度量空间对其3D box的损失函数，直接优化其关于真值的误差；
扩展模型，将其用于预测度量纹理面片，保证了进一步的3D 推理，包括3D 一致性仿真数据增强。
称该模型为"ROI-10D"，将2D ROI提升到3D ROI需要6自由度的位姿参数，3个自由度的空间体积，和一个形状自由度。
2. 用于位姿和形状估计的单目10D提升
分三个部分介绍了方法：
模型结构
用于3D的损失函数
学习得到的度量形状空间，以及如何使用估计的形状参数进行3D重建
2.1 端到端的单目结构
类似于Faster RCNN，首先检测2D区域的proposals，然后为每个proposal region执行分支预测。2D proposals使用了FPN-ResNet34，并使用了focal loss加权。对每个检测到的proposal region使用ROIAlign 提取用于预测分支的特征。
由于信息缺失和重投影模糊，从单目图像中直接回归3D信息是病态、不稳定的。该文献使用了state-of-the-art的SuperDepth 网络预测输入图像中逐像素的深度值。然后将FPN网络输出的特征与深度特征堆积在一起，使用带有Group Normalization 的两个卷积层处理得到融合特征，最后使用检测到的2D bbox和ROI Align在ROI Lifting中提取对应的特征，回归3D旋转、平移、目标的绝对尺度以及目标形状。
2.2 由单目2D实例到6D位姿
该问题其实是一个可微分的提升映射，
，即从一个2D的
到一个3D的bounding box 
。将旋转编码为4D的四元数，将平移编码为2D物体中心的相对深度。此外，使用到数据集平均体积的偏差描述物体三维体积。
给定一个2D ROI 
，使用ROI Align提取指定区域特征，分别预测出旋转量q，相对于ROI的2D中心(x, y)，深度值z和物体的绝对尺度(w, h, l)，提升映射为：
其中K为相机内参矩阵
损失函数
当仅从单目图像中估计位姿参数时，像素空间中的微小误差可以导致位姿参数的剧烈变化。将问题提升到了3D，并使用了6D自由度的代理损失函数。因此，没有同时对所有预测项进行优化，而是让网络在训练期间自己调整。给定一个3D bbox 
和对应的2D检测框 
，其到3D的提升映射为
，在度量空间关于八个3D角点的损失函数为：
在训练过程中，需要一个warm up过程以得到稳定的数值流形。因此训练单个的预测项，直到得到稳定的3D box实例。
Allocentric 回归 and Egocentric 提升
相机光轴是否对准目标中心，Egocentric 以相机为中心，相机光轴不一定对准目标中心，allocentric是以目标为中心。两者的区别在于当发生与相机之间的位移时，Allocentric中相机光轴随着目标位移而移动，目标的形状变化不大，而Egocentric中相机光轴不变，目标的形状变化较大。
大视场条件下，Allocentric pose estimation很重要。
由于ROI缺少全局的信息，在回归时认为四元数是Allocentric的，然后结合推理出来的平移量矫正为Egocentric，然后提升到3D boxes。
2.3 目标形状学习与检索
介绍了如何将端到端的单目3D目标检测模型扩展到预测三角面片，并用于数据增强。
学习一个光滑的形状
给定了50种商用模型，创建了一个映射受限的带符号的距离场
，大小为128×128×256。首先使用PCA学习低维的形状，实验中发现形状空间很快地偏离了均值。使用PCA生成形状要求评价每一维度的标准差。因此，使用一个3D自编码/解码器 E和D，对输出的TSDF强制不同的约束。E和D都使用了1，8， 16， 32四种卷基层。此外使用核为6的全卷积层作为隐藏层。在训练过程中将所有的隐藏层映射到半球上，以保证连续性。对输出层的跳跃通过总方差进行惩罚，损失函数为：
形状真值的标注
对于3D 提升器的形状分支，预测形状s和形状真值s*间的相似度由两点在半球上的角度决定：
在推理时，预测了低维的隐藏层向量，并将其传递给解码器以得到TSDF表示。
简单面片纹理
模型可以得到目标的尺度与形状，可以投影检索得到的3D面片。将朝向相机的定点映射到图像平面，并赋予相应的值。
2.4 消融分析
评估新的算法怎样优化极小化loss。另外，证实在KITTI 3D数据集上在哪里和为何如此难以准确评估。最后，分析由于不同的输入以及怎样更好让loss影响姿态的质量。
2.5 仿真3D 数据增强
KITTI3D数据集较小，且3D真值获取耗时耗力，采用仿真数据是一种常用方法。文章使用提取得到的面片以生成真实的渲染，而不是写固定的CAD模型。此外，仿真目标的摆放没有太多限制。使用allocentric pose移动目标，不改变视角。
3. 实验
