Single-Stage 6D Object Pose Estimation——6D姿态估计

Single-Stage 6D Object Pose Estimation

作者：Yinlin Hu,Pascal Fua, Wei Wang, Mathieu Salzmann
实验室：CVLab, EPFL, Switzerland
发表：2019.11.19 arkiv（盲猜2020CVPR）

这篇文章出自EPFL的CVLab实验室，是对浙大发表的PVNet、以及他们自己实验室发表的Segmentation-driven 6D Object Pose Estimation延续之作。
这篇文章主要的创新点是把基于 RANSAC 的 Pnp 算法集成到了网络之中，形成了一个End-to-end的网络

1、6D姿态近期研究工作

对于6D姿态估计，近期的很多工作，都是先检测出2D图片上的一些关键点，然后建立2D-3D的correspondings，最后通过RANSAC-based Pnp算法，求出最后的6D姿态。但是这种方法，有如下缺陷：

损失函数的设计没有针对到最后的6D姿态，只是建立在中间步骤。例如对2D投影的误差建立损失函数
这些工作都没有考虑一个实际情况：当知道其中一个关键点的投影坐标时，会对其他的关键点的位置造成影响
不能end-to-end的训练，inference的速度也会比较慢

2、Overview

Single-Stage 6D Object Pose Estimation——6D姿态估计

2.1、CNN部分

这里是用的PVNet的网络结构
Single-Stage 6D Object Pose Estimation——6D姿态估计
共有n个keypoints，每个keypoints有m个可能的correspondences。
u 是2D图片中keypoints的可能的correspondences。
p_i 指的是 n 个定义好的3D keypoints；I 指的是图片；Φ 代表网络的参数; f 是PVNet的 encoder-decoder 的网络。
步骤：输入一张图片，对每个定义的keypoint，在2D图片中生成m个可能的投影点，作者把m个投影点称之为cluster。
Single-Stage 6D Object Pose Estimation——6D姿态估计

2.2、Local Feature Extraction

在上一步，每一个3D keypoint的correspondendces都生成了vector（详见PVNet），这里使用MLP进行提取他们的局部特征，用 f_ik 表示提取出的特征。

2.3、Grouped feature aggregation

对于每一个keypoint提取到的特征，接一个max pooling，接着按照固定的顺序把他们连接起来，即下面这个式子：
Single-Stage 6D Object Pose Estimation——6D姿态估计
MAX( )表示Max Pooling, CAT( )表示连接。

2.4、Global inference

最后把生成的最终特征向量，送入MLP，生成位移和表示旋转的四元数。

3、主要创新点

3.1、End-to-end

这篇文章的主要贡献就是把基于 RANSAC 的 Pnp 算法，设计到了网络中，完成了end-to-end的结构。
作者做出了如下假设：把生成的Correspondences都输入到网络后，网络会自动选择一组最优的对应，生成Pose。即网络选择代替了RANSAC，MLP部分代替了PnP计算。

3.2、 Ordering

针对每一个cluster内的点，是无序的，作者在这里使用了Max pooling。
对于不同的cluster，作者通过实验证明，如果提供一个不同的产生顺序，会产生不同的结果，因此作者在这里固定了他们的提供次序。

3.3、生成关键点

作者通过实验发现，对每种物体生成相同的关键点集合，或者根据各个物体的Bouding box生成关键点，准确度上并没明显差别，因此使用了通用的关键点生成方法。这里并没有太复杂的设计，就不赘述了。

这篇文章的代码还没有开源到github上，因此对里面的一些实现细节还不是特别明白，如发现错误疏漏之处，还请指教。

Single-Stage 6D Object Pose Estimation——6D姿态估计