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专利号: 2022105863914
申请人: 长春大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于图神经网络的三维点云目标检测算法,其特征在于,包括以下步骤,且以下步骤顺次进行:步骤S1、获取点云数据集,划分出训练集、验证集和测试集;

步骤S2、对训练数据中的原始点云集合进行采样和聚类的预处理后,对目标点云的邻域空间构建连接边,完成点云语义图的构建;

步骤S3、将点云图输入到局部池化模块中,提取局部深层抽象特征,将特征语义图输入到图卷积模块中,通过节点之间的连接关系完成特征交互,包括特征聚合和特征更新的计算过程;

步骤S4、在图卷积操作之后,以目标点云为中心进行邻域重构,将重构语义图输入空洞图卷积模块,增大卷积感知范围,降低邻域特征噪声影响;

步骤S5、通过注意力机制计算更新后的节点特征权重,将加权特征与所述步骤S3的特征进行向量拼接,用于步骤S7的池化操作;

步骤S6、全局池化模块的构建选择最大值池化和求和池化的方法,作为对称性函数,将池化后的特征向量再进行均值池化,得到全局特征向量;

步骤S7、将步骤S5和S6得到的点云特征和图特征拼接计算后,输入到分类和定位分支,预测目标的类别,并画出3D检测框;

步骤S8、计算检测损失,以梯度下降法收敛,调整算法参数,直至损失最小,停止训练。

2.根据权利要求1所述的基于图神经网络的三维点云目标检测算法,其特征在于,所述步骤S2点云语义图的构建流程包括:首先通过体素下采样算法,降低点云密度,保留有效信息;再通过KNN算法,遍历采样空间,确定目标点的K近邻;最后,在节点邻域空间中建立点的连接关系,构建邻接边,完成语义图构建。

3.根据权利要求1所述的基于图神经网络的三维点云目标检测算法,其特征在于,所述步骤S2中原始点云集合为P,表示为:P={P1,P2,P3......Pn|(n≤N)}

其中Pi属性表示为(xi,si),由三维空间坐标和状态属性组成,xi是点云的三维坐标(xi,3

yi,zi)∈R状态属性,在激光点云数据集下,采用激光反射强度表示;

对于给定的点云集合P,通过KNN算法捕捉到的邻域点云集合为:捕捉到的拓扑关系表示为:

e(i,j)={(Fi,Fj)|j∈Nk(i)}

其中,F表示邻域点云集合,e(i,j)表示连接关系,D表示空间距离度量方式,采样欧式距离计算,Max表示取最远距离,Min表示取最近距离。Fi是目标中心点,Fk是待采样点,Nk(i)代表点Fi的邻域空间,Fj代表其中的邻节点。

4.根据权利要求1所述的基于图神经网络的三维点云目标检测算法,其特征在于,所述步骤S2结束后,对训练数据先进行下采样处理,去除部分数据噪声,降低点云密度,得到目标点云集合;采用K最邻近算法对点云集合进行计算,使用Kd‑Tree索引提高查询效率,遍历采样空间后,选取目标点云的K近邻,再进行所述步骤S3。

5.根据权利要求1所述的基于图神经网络的三维点云目标检测算法,其特征在于,所述步骤S3中的,将特征语义图输入到图卷积模块后,图卷积计算采用消息传递网络实现,包括节点特征传递和更新两个阶段;

图卷积模块采用多层感知机完成特征映射;特征聚合函数选择最大值函数,针对点云无序性,通过求取特征最大值,实现局部置换不变性。

6.根据权利要求1所述的基于图神经网络的三维点云目标检测算法,其特征在于,所述步骤S3中图卷积模块采用的图卷积计算方法引入点云坐标外、目标节点si和邻节点状态属性sj,得到的图卷积特征聚合表达函数和特征更新函数为:t

其中,l使用多层感知机完成特征映射,获取深层抽象特征。p选择特征聚合方式为Max,t t针对点云无序性,通过Max方法实现局部置换不变性;h (si)使用节点i的状态计算了坐标t偏移量,将h 输出设置为0时,禁用该自动配准机制;图卷积通过引入目标和邻节点状态,完成局部节点对的特征交互、聚合。

7.根据权利要求1所述的基于图神经网络的三维点云目标检测算法,其特征在于,所述步骤S3中的节点状态信息存在大量特征噪声,采用门控循环单元作为特征更新模型,完成语义图中特征噪声的过滤,减缓模型过平滑现象,更新函数表示为:其中,z是门控信号,控制保留信息和过滤信息,目标节点t+1时刻下的状态属性取决于此时态下的聚合信息和t时刻的节点本身属性,门控单元通过权重的相互弥补实现更新状态的稳定;

图卷积模块包括三层感知机和一层门控循环单元,进行的特征维度映射表示为:[N*900]→[N*600]→[N*600]→[N*300]图卷积模块通过两次迭代,提取语义图的二阶邻域特征。

8.根据权利要求1所述的基于图神经网络的三维点云目标检测算法,其特征在于,所述步骤S4采用KNN算法进行重构,取出目标节点的50个近邻点,然后重新计算邻域特征。

9.根据权利要求1所述的基于图神经网络的三维点云目标检测算法,其特征在于,所述步骤S4空洞图卷积模块的空洞图卷积的膨胀率参数设置为2,随机率设置为0.2,以增强模型的鲁棒性。

10.根据权利要求1所述的基于图神经网络的三维点云目标检测算法,其特征在于,所述步骤S8中求取损失使用的损失函数包括分类损失和定位损失:分类损失定义为平均交叉熵损失函数:

其中, 和 表示i节点的标签和预测概率;

通过Huber损失计算定位损失,在此取所有点的损失均值:为防止模型过拟合,加入L2正则化损失函数:

2 2

Reg_loss=∑i(μixi‑Xi) +λ(μi)将三个部分的损失函数相加,得到模型全部损失计算函数:

Total_loss=aAverage_loss+bLoc_loss+cReg_loss其中a,b,c为常量因子,采用梯度下降法迭代求解最小化的损失函数和模型参数。