В этом примере показано, как обучить сеть PointPillars для обнаружения объектов в облаках точек.
Данные об облаке точек получены множеством датчиков, таких как датчики лидара, радарные датчики и камеры глубины. Эти датчики получают 3-D информацию о положении об объектах в сцене, которая полезна для многих приложений в автономном управлении автомобилем и дополненной реальности. Однако учебные устойчивые детекторы с данными об облаке точек сложны из-за разреженности данных на объект, объектные поглощения газов и шум датчика. Методы глубокого обучения, как показывали, обратились ко многим из этих проблем путем изучения устойчивых представлений функции непосредственно от данных об облаке точек. Один метод глубокого обучения для 3-D обнаружения объектов является PointPillars [1]. Используя подобную архитектуру к PointNet, извлечения сети PointPillars плотные, устойчивые функции от разреженных облаков точек вызвали столбы, затем используют 2D нейронную сеть для глубокого обучения с модифицированной сетью обнаружения объектов SSD, чтобы получить объединенную ограничительную рамку и предсказания класса.
Этот пример использует набор данных магистральных сцен, собранных с помощью Изгнания датчик лидара OS1.
Загрузите предварительно обученную сеть с данного URL с помощью функции помощника downloadPretrainedPointPillarsNet, заданный в конце этого примера. Предварительно обученная модель позволяет вам запускать целый пример, не имея необходимость ожидать обучения завершиться. Если вы хотите обучить сеть, установите doTraining переменная к true.
outputFolder = fullfile(tempdir,'WPI'); pretrainedNetURL = 'https://ssd.mathworks.com/supportfiles/lidar/data/trainedPointPillars.zip'; doTraining = false; if ~doTraining net = downloadPretrainedPointPillarsNet(outputFolder, pretrainedNetURL); end
Загрузите магистральный набор данных сцен с данного URL с помощью функции помощника downloadWPIData, заданный в конце этого примера. Набор данных содержит организованные сканы облака точек лидара 1 617 полных полных представлений магистральных сцен и соответствующих меток для объектов автомобиля и грузовика.
lidarURL = 'https://www.mathworks.com/supportfiles/lidar/data/WPI_LidarData.tar.gz';
lidarData = downloadWPIData(outputFolder, lidarURL);Примечание: В зависимости от вашего Интернет-соединения, процесс загрузки может занять время. Код приостанавливает выполнение MATLAB®, пока процесс загрузки не завершен. В качестве альтернативы можно загрузить набор данных на локальный диск с помощью веб-браузера и извлечь файл. Если вы делаете так, изменяете outputFolder переменная в коде к местоположению загруженного файла.
Загрузите 3-D метки ограничительной рамки.
load('WPI_LidarGroundTruth.mat','bboxGroundTruth'); Labels = timetable2table(bboxGroundTruth); Labels = Labels(:,2:end);
Отобразите облако полной точки наблюдения.
figure
ax = pcshow(lidarData{1,1}.Location);
set(ax,'XLim',[-50 50],'YLim',[-40 40]);
zoom(ax,2.5);
axis off;
Эта полная точка наблюдения обрезок в качестве примера облака к облакам точек вида спереди с помощью стандартных параметров [1]. Эти параметры помогают выбрать, размер входа передал сети. Выбирание меньшей области значений облаков точек вдоль x, y, и оси z помогает обнаружить объекты, которые более близки началу координат, и также уменьшает полное учебное время сети.
xMin = 0.0; % Minimum value along X-axis. yMin = -39.68; % Minimum value along Y-axis. zMin = -5.0; % Minimum value along Z-axis. xMax = 69.12; % Maximum value along X-axis. yMax = 39.68; % Maximum value along Y-axis. zMax = 5.0; % Maximum value along Z-axis. xStep = 0.16; % Resolution along X-axis. yStep = 0.16; % Resolution along Y-axis. dsFactor = 2.0; % Downsampling factor. % Calculate the dimensions for pseudo-image. Xn = round(((xMax - xMin) / xStep)); Yn = round(((yMax - yMin) / yStep)); % Define pillar extraction parameters. gridParams = {{xMin,yMin,zMin},{xMax,yMax,zMax},{xStep,yStep,dsFactor},{Xn,Yn}};
Обрежьте вид спереди облаков точек с помощью createFrontViewFromLidarData функция помощника, присоединенная к этому примеру как вспомогательный файл и значения калибровки фотоаппарата лидара. Пропустите этот шаг, если ваш набор данных содержит облака точек вида спереди.
% Load the calibration parameters. fview = load('calibrationValues.mat'); [inputPointCloud, boxLabels] = createFrontViewFromLidarData(lidarData, Labels, gridParams, fview);
Processing data 100% complete
Отобразите обрезанное облако точек.
figure
ax1 = pcshow(inputPointCloud{1,1}.Location);
gtLabels = boxLabels.car(1,:);
showShape('cuboid', gtLabels{1,1}, 'Parent', ax1, 'Opacity', 0.1, 'Color', 'green','LineWidth',0.5);
zoom(ax1,2);
Разделите набор данных в набор обучающих данных для того, чтобы обучить сеть и набор тестов для оценки сети. Выберите 70% данных для обучения. Используйте остальных для оценки.
rng(1); shuffledIndices = randperm(size(inputPointCloud,1)); idx = floor(0.7 * length(shuffledIndices)); trainData = inputPointCloud(shuffledIndices(1:idx),:); testData = inputPointCloud(shuffledIndices(idx+1:end),:); trainLabels = boxLabels(shuffledIndices(1:idx),:); testLabels = boxLabels(shuffledIndices(idx+1:end),:);
Для быстрого доступа с хранилищами данных сохраните обучающие данные как файлы PCD. Пропустите этот шаг, если ваш формат данных облака точек поддерживается pcread (Computer Vision Toolbox) функция.
dataLocation = fullfile(outputFolder,'InputData');
saveptCldToPCD(trainData,dataLocation);Processing data 100% complete
Создайте fileDatastore загружать файлы PCD с помощью pcread (Computer Vision Toolbox) функция.
lds = fileDatastore(dataLocation,'ReadFcn',@(x) pcread(x));Создайте boxLabelDatastore (Computer Vision Toolbox) для загрузки 3-D меток ограничительной рамки.
bds = boxLabelDatastore(trainLabels);
Используйте combine функционируйте, чтобы объединить облака точек и 3-D метки ограничительной рамки в один datastore для обучения.
cds = combine(lds,bds);
Этот пример использует увеличение достоверных данных и несколько других методов увеличения глобальных данных, чтобы добавить больше разнообразия в обучающие данные и соответствующие поля.
Считайте и отобразите облако точек перед увеличением.
augData = read(cds);
augptCld = augData{1,1};
augLabels = augData{1,2};
figure;
ax2 = pcshow(augptCld.Location);
showShape('cuboid', augLabels, 'Parent', ax2, 'Opacity', 0.1, 'Color', 'green','LineWidth',0.5);
zoom(ax2,2);
reset(cds);
Используйте generateGTDataForAugmentation функция помощника, присоединенная к этому примеру как вспомогательный файл, чтобы извлечь все ограничительные рамки основной истины из обучающих данных.
gtData = generateGTDataForAugmentation(trainData,trainLabels);
Используйте groundTruthDataAugmentation функция помощника, присоединенная к этому примеру как вспомогательный файл, чтобы случайным образом добавить постоянное число автомобильных объектов класса к каждому облаку точек.
Используйте transform функция, чтобы применить основную истину и пользовательские увеличения данных к обучающим данным.
cdsAugmented = transform(cds,@(x) groundTruthDataAugmenation(x,gtData));
Кроме того, примените следующие увеличения данных к каждому облаку точек.
Случайное зеркальное отражение вдоль оси X
Случайное масштабирование на 5 процентов
Случайное вращение вдоль оси z от [-pi/4, пи/4]
Случайный перевод [0.2, 0.2, 0.1] метры вдоль оси XYZ соответственно
cdsAugmented = transform(cdsAugmented,@(x) augmentData(x));
Отобразитесь увеличенное облако точек наряду с основной истиной увеличило поля.
augData = read(cdsAugmented);
augptCld = augData{1,1};
augLabels = augData{1,2};
figure;
ax3 = pcshow(augptCld(:,1:3));
showShape('cuboid', augLabels, 'Parent', ax3, 'Opacity', 0.1, 'Color', 'green','LineWidth',0.5);
zoom(ax3,2);
reset(cdsAugmented);
Преобразуйте 3-D облако точек в 2D представление, чтобы применить 2D архитектуру свертки к облакам точек для более быстрой обработки. Используйте transform функция с createPillars функция помощника, присоединенная к этому примеру как вспомогательный файл, чтобы создать функции столба и индексы столба от облаков точек. Функция помощника выполняет следующие операции:
Дискретизируйте 3-D облака точек в равномерно расположенные с интервалами сетки в x-y плоскости, чтобы создать набор, вертикальные столбцы вызвали столбы.
Выберите видные столбы (P) на основе числа точек на столб (N).
Вычислите расстояние до среднего арифметического всех точек в столбе.
Вычислите смещение из центра столба.
Используйте x, y, z местоположение, интенсивность, расстояние и возместите значения, чтобы создать девять размерных (9-D) векторов для каждой точки в столбе.
% Define number of prominent pillars. P = 12000; % Define number of points per pillar. N = 100; cdsTransformed = transform(cdsAugmented,@(x) createPillars(x,gridParams,P,N));
Сеть PointPillars использует упрощенную версию сети PointNet, которая берет функции столба в качестве входа. Для каждой функции столба линейный слой применяется сопровождаемый слоями ReLU и нормализацией партии. Наконец, макс. объединяющая операция по каналам применяется, чтобы получить закодированные функции высокого уровня. Эти закодированные функции рассеиваются назад к исходным местоположениям столба, чтобы создать псевдоизображение с помощью пользовательского слоя helperscatterLayer, присоединенный к этому примеру как вспомогательный файл. Псевдоизображение затем обрабатывается с 2D сверточной магистралью, сопровождаемой различными головами обнаружения SSD, чтобы предсказать 3-D ограничительные рамки наряду с его классами.
Задайте размерности поля привязки на основе классов, чтобы обнаружить. Как правило, эти размерности являются средними значениями всех значений ограничительной рамки в наборе обучающих данных [1]. Поля привязки заданы в формате {длина, ширина, высота, z-центр, угол отклонения от курса}.
anchorBoxes = {{3.9, 1.6, 1.56, -1.78, 0}, {3.9, 1.6, 1.56, -1.78, pi/2}};
numAnchors = size(anchorBoxes,2);
classNames = trainLabels.Properties.VariableNames;Затем создайте сеть PointPillars с помощью функции помощника pointpillarNetwork, присоединенный к этому примеру как вспомогательный файл.
lgraph = pointpillarNetwork(numAnchors,gridParams,P,N);
Задайте следующие опции обучения.
Определите номер эпох к 160.
Установите мини-пакетный размер как 2. Это должно быть установлено в зависимости от доступной памяти.
Установите скорость обучения на 0,0002.
Установите learnRateDropPeriod к 15. Этот параметр обозначает номер эпох, чтобы пропустить скорость обучения после на основе формулы .
Установите learnRateDropFactor к 0,8. Этот параметр обозначает уровень, которым можно пропустить скорость обучения после каждого learnRateDropPeriod.
Установитесь коэффициент затухания градиента на 0,9.
Установитесь коэффициент затухания градиента в квадрате на 0,999.
Инициализируйте среднее значение градиентов к []. Это используется оптимизатором Адама.
Инициализируйте среднее значение градиентов в квадрате к []. Это используется оптимизатором Адама.
numEpochs = 160; miniBatchSize = 2; learningRate = 0.0002; learnRateDropPeriod = 15; learnRateDropFactor = 0.8; gradientDecayFactor = 0.9; squaredGradientDecayFactor = 0.999; trailingAvg = []; trailingAvgSq = [];
Обучайтесь на графическом процессоре, если вы доступны. Используя графический процессор требует Parallel Computing Toolbox™, и CUDA® включил NVIDIA®, графический процессор с вычисляет возможность 3.0 или выше. Чтобы автоматически обнаружить, если вы имеете графический процессор в наличии, установите executionEnvironment к "auto". Если вы не имеете графического процессора или не хотите использовать один для обучения, устанавливать executionEnvironment к "cpu". Чтобы гарантировать использование графического процессора для обучения, установите executionEnvironment к "gpu".
Затем создайте minibatchqueue загружать данные в пакетах miniBatchSize во время обучения.
executionEnvironment = "auto"; if canUseParallelPool dispatchInBackground = true; else dispatchInBackground = false; end mbq = minibatchqueue(cdsTransformed,3,... "MiniBatchSize",miniBatchSize,... "OutputEnvironment",executionEnvironment,... "MiniBatchFcn",@(features,indices,boxes,labels) createBatchData(features,indices,boxes,labels,classNames),... "MiniBatchFormat",["SSCB","SSCB",""],... "DispatchInBackground",dispatchInBackground);
Чтобы обучить сеть с пользовательским учебным циклом и включить автоматическое дифференцирование, преобразуйте график слоев в dlnetwork объект. Затем создайте плоттер процесса обучения с помощью функции помощника configureTrainingProgressPlotter, заданный в конце этого примера.
Наконец, задайте пользовательский учебный цикл. Для каждой итерации:
Считайте облака точек и основные блоки истинности от minibatchqueue использование next функция.
Оцените градиенты модели с помощью dlfeval и modelGradients функция. modelGradients функция помощника, заданная в конце примера, возвращает градиенты потери относительно настраиваемых параметров в net, соответствующая мини-пакетная потеря и состояние текущего пакета.
Обновите сетевые параметры с помощью adamupdate функция.
Обновите параметры состояния net.
Обновите график процесса обучения.
if doTraining % Convert layer graph to dlnetwork. net = dlnetwork(lgraph); % Initialize plot. fig = figure; lossPlotter = configureTrainingProgressPlotter(fig); iteration = 0; % Custom training loop. for epoch = 1:numEpochs % Reset datastore. reset(mbq); while(hasdata(mbq)) iteration = iteration + 1; % Read batch of data. [pillarFeatures, pillarIndices, boxLabels] = next(mbq); % Evaluate the model gradients and loss using dlfeval and the modelGradients function. [gradients, loss, state] = dlfeval(@modelGradients, net, pillarFeatures, pillarIndices, boxLabels,... gridParams, anchorBoxes, executionEnvironment); % Do not update the network learnable parameters if NaN values % are present in gradients or loss values. if checkForNaN(gradients,loss) continue; end % Update the state parameters of dlnetwork. net.State = state; % Update the network learnable parameters using the Adam % optimizer. [net.Learnables, trailingAvg, trailingAvgSq] = adamupdate(net.Learnables, gradients, ... trailingAvg, trailingAvgSq, iteration,... learningRate,gradientDecayFactor, squaredGradientDecayFactor); % Update training plot with new points. addpoints(lossPlotter, iteration,double(gather(extractdata(loss)))); title("Training Epoch " + epoch +" of " + numEpochs); drawnow; end % Update the learning rate after every learnRateDropPeriod. if mod(epoch,learnRateDropPeriod) == 0 learningRate = learningRate * learnRateDropFactor; end end end
Computer Vision Toolbox™ обеспечивает функции оценки детектора объектов, чтобы измерить общие метрики, такие как средняя точность (evaluateDetectionAOS (Computer Vision Toolbox)). В данном примере используйте среднюю метрику точности. Средняя точность обеспечивает один номер, который включает способность детектора сделать правильные классификации (точность) и способность детектора найти все соответствующие объекты (отзыв).
Оцените обученный dlnetwork объект net на тестовых данных путем выполнения этих шагов.
Задайте порог доверия, чтобы использовать только обнаружения с оценками достоверности выше этого значения.
Задайте порог перекрытия, чтобы удалить перекрывающиеся обнаружения.
Используйте generatePointPillarDetections функция помощника, присоединенная к этому примеру как вспомогательный файл, чтобы получить ограничительные рамки, возражает оценкам достоверности и меткам класса.
Вызовите evaluateDetectionAOS (Computer Vision Toolbox) с detectionResults и groundTruthData в качестве аргументов.
numInputs = numel(testData); % Generate rotated rectangles from the cuboid labels. bds = boxLabelDatastore(testLabels); groundTruthData = transform(bds,@(x) createRotRect(x)); % Set the threshold values. nmsPositiveIoUThreshold = 0.5; confidenceThreshold = 0.25; overlapThreshold = 0.1; % Set numSamplesToTest to numInputs to evaluate the model on the entire % test data set. numSamplesToTest = 50; detectionResults = table('Size',[numSamplesToTest 3],... 'VariableTypes',{'cell','cell','cell'},... 'VariableNames',{'Boxes','Scores','Labels'}); for num = 1:numSamplesToTest ptCloud = testData{num,1}; [box,score,labels] = generatePointPillarDetections(net,ptCloud,anchorBoxes,gridParams,classNames,confidenceThreshold,... overlapThreshold,P,N,executionEnvironment); % Convert the detected boxes to rotated rectangles format. if ~isempty(box) detectionResults.Boxes{num} = box(:,[1,2,4,5,7]); else detectionResults.Boxes{num} = box; end detectionResults.Scores{num} = score; detectionResults.Labels{num} = labels; end metrics = evaluateDetectionAOS(detectionResults,groundTruthData,nmsPositiveIoUThreshold)
metrics=1×5 table
AOS AP OrientationSimilarity Precision Recall
_______ _______ _____________________ ______________ ______________
car 0.69396 0.69396 {125×1 double} {125×1 double} {125×1 double}
Используйте сеть для обнаружения объектов:
Считайте облако точек из тестовых данных.
Используйте generatePointPillarDetections функция помощника, присоединенная к этому примеру как вспомогательный файл, чтобы получить предсказанные ограничительные рамки и оценки достоверности.
Отобразите облако точек с ограничительными рамками.
ptCloud = testData{3,1};
gtLabels = testLabels{3,1}{1};
% Display the point cloud.
figure;
ax4 = pcshow(ptCloud.Location);
% The generatePointPillarDetections function detects the bounding boxes, scores for a
% given point cloud.
confidenceThreshold = 0.5;
overlapThreshold = 0.1;
[box,score,labels] = generatePointPillarDetections(net,ptCloud,anchorBoxes,gridParams,classNames,confidenceThreshold,...
overlapThreshold,P,N,executionEnvironment);
% Display the detections on the point cloud.
showShape('cuboid', box, 'Parent', ax4, 'Opacity', 0.1, 'Color', 'red','LineWidth',0.5);hold on;
showShape('cuboid', gtLabels, 'Parent', ax4, 'Opacity', 0.1, 'Color', 'green','LineWidth',0.5);
zoom(ax4,2);
Функциональный modelGradients берет в качестве входа dlnetwork объект net и мини-пакет входных данных pillarFeautures и pillarIndices с соответствующими основными блоками истинности, полями привязки и параметрами сетки. Функция возвращает градиенты потери относительно настраиваемых параметров в net, соответствующая мини-пакетная потеря и состояние текущего пакета.
Функция градиентов модели вычисляет общую сумму убытков и градиенты путем выполнения этих операций.
Извлеките предсказания из сети с помощью forward функция.
Сгенерируйте цели для расчета потерь при помощи достоверных данных, параметров сетки и полей привязки.
Вычислите функцию потерь для всех шести предсказаний от сети.
Вычислите общую сумму убытков как сумму всех потерь.
Вычислите градиенты learnables относительно общей суммы убытков.
function [gradients, loss, state] = modelGradients(net, pillarFeatures, pillarIndices, boxLabels, gridParams, anchorBoxes,... executionEnvironment) % Extract the predictions from the network. YPredictions = cell(size(net.OutputNames)); [YPredictions{:}, state] = forward(net,pillarIndices,pillarFeatures); % Generate target for predictions from the ground truth data. YTargets = generatePointPillarTargets(YPredictions, boxLabels, pillarIndices, gridParams, anchorBoxes); YTargets = cellfun(@ dlarray,YTargets,'UniformOutput', false); if (executionEnvironment == "auto" && canUseGPU) || executionEnvironment == "gpu" YTargets = cellfun(@ gpuArray,YTargets,'UniformOutput', false); end [angLoss, occLoss, locLoss, szLoss, hdLoss, clfLoss] = computePointPillarLoss(YPredictions, YTargets); % Compute the total loss. loss = angLoss + occLoss + locLoss + szLoss + hdLoss + clfLoss; % Compute the gradients of the learnables with regard to the loss. gradients = dlgradient(loss,net.Learnables); end function [pillarFeatures, pillarIndices, labels] = createBatchData(features, indices, groundTruthBoxes, groundTruthClasses, classNames) % Returns pillar features and indices combined along the batch dimension % and bounding boxes concatenated along batch dimension in labels. % Concatenate features and indices along batch dimension. pillarFeatures = cat(4, features{:,1}); pillarIndices = cat(4, indices{:,1}); % Get class IDs from the class names. classNames = repmat({categorical(classNames')}, size(groundTruthClasses)); [~, classIndices] = cellfun(@(a,b)ismember(a,b), groundTruthClasses, classNames, 'UniformOutput', false); % Append the class indices and create a single array of responses. combinedResponses = cellfun(@(bbox, classid)[bbox, classid], groundTruthBoxes, classIndices, 'UniformOutput', false); len = max(cellfun(@(x)size(x,1), combinedResponses)); paddedBBoxes = cellfun( @(v) padarray(v,[len-size(v,1),0],0,'post'), combinedResponses, 'UniformOutput',false); labels = cat(4, paddedBBoxes{:,1}); end function lidarData = downloadWPIData(outputFolder, lidarURL) % Download the data set from the given URL into the output folder. lidarDataTarFile = fullfile(outputFolder,'WPI_LidarData.tar.gz'); if ~exist(lidarDataTarFile, 'file') mkdir(outputFolder); disp('Downloading WPI Lidar driving data (760 MB)...'); websave(lidarDataTarFile, lidarURL); untar(lidarDataTarFile,outputFolder); end % Extract the file. if ~exist(fullfile(outputFolder, 'WPI_LidarData.mat'), 'file') untar(lidarDataTarFile,outputFolder); end load(fullfile(outputFolder, 'WPI_LidarData.mat'),'lidarData'); lidarData = reshape(lidarData,size(lidarData,2),1); end function net = downloadPretrainedPointPillarsNet(outputFolder, pretrainedNetURL) % Download the pretrained PointPillars detector. preTrainedMATFile = fullfile(outputFolder,'trainedPointPillarsNet.mat'); preTrainedZipFile = fullfile(outputFolder,'trainedPointPillars.zip'); if ~exist(preTrainedMATFile,'file') if ~exist(preTrainedZipFile,'file') disp('Downloading pretrained detector (8.3 MB)...'); websave(preTrainedZipFile, pretrainedNetURL); end unzip(preTrainedZipFile, outputFolder); end pretrainedNet = load(preTrainedMATFile); net = pretrainedNet.net; end function lossPlotter = configureTrainingProgressPlotter(f) % The configureTrainingProgressPlotter function configures training % progress plots for various losses. figure(f); clf ylabel('Total Loss'); xlabel('Iteration'); lossPlotter = animatedline; end function retValue = checkForNaN(gradients,loss) % Based on experiments it is found that the last convolution head % 'occupancy|conv2d' contains NaNs as the gradients. This function checks % whether gradient values contain NaNs. Add other convolution % head values to the condition if NaNs are present in the gradients. gradValue = gradients.Value((gradients.Layer == 'occupancy|conv2d') & (gradients.Parameter == 'Bias')); if (sum(isnan(extractdata(loss)),'all') > 0) || (sum(isnan(extractdata(gradValue{1,1})),'all') > 0) retValue = true; else retValue = false; end end
[1] Ленг, Алекс Х., Sourabh Vora, Хольгер Цезарь, Лубин Чжоу, Цзюн Ян и Оскар Бейджбом. "PointPillars: Быстрые Энкодеры для Обнаружения объектов От Облаков точек". На 2019 Конференциях IEEE/CVF по Компьютерному зрению и Распознаванию образов (CVPR), 12689-12697. Лонг-Бич, CA, США: IEEE, 2019. https://doi.org/10.1109/CVPR.2019.01298.