基於場景關聯性的半監督式光達語義分割研究

מושגי ליבה

本文提出了一種名為 AIScene 的新型半監督式光達語義分割方法，旨在解決現有方法在處理帶有和不帶偽標籤點雲時的場景一致性問題，並透過多場景混合增強資料集的語義多樣性，從而提升模型在有限標註資料下的分割效能。

תקציר

研究目標

本研究旨在解決現有半監督式光達語義分割方法中存在的兩個主要問題：場景內部不一致性以及資料增強過程中語義多樣性受限，並提出相應的解決方案以提升模型在有限標註資料下的分割效能。

方法

本研究提出了一種名為 AIScene 的新型半監督式光達語義分割方法，其核心包含兩個主要部分：

1. 點雲擦除策略 (Point Erasure Strategy):
   • 針對現有方法在訓練過程中將所有點雲用於前向傳播，但僅使用帶有偽標籤的點雲進行反向傳播，導致場景內部不一致性的問題，AIScene 提出點雲擦除策略，在訓練過程中直接移除不帶偽標籤的點雲，確保前向和反向傳播的一致性，避免語義模糊點雲對模型學習造成干擾。
2. 基於圖塊的資料增強 (Patch-based Data Augmentation):
   • 為了解決現有資料增強方法僅在兩個場景間進行混合，導致語義多樣性受限的問題，AIScene 提出基於圖塊的資料增強方法，透過構建場景級別和實例級別的圖塊池，將多個場景的圖塊進行混合，並根據場景間的關聯性選擇合適的圖塊進行填充，從而提升資料集的語義多樣性。

主要發現

• 實驗結果顯示，AIScene 在 SemanticKITTI 和 nuScenes 兩個公開資料集上均取得了優於現有方法的效能表現，尤其是在標註資料比例極低的情況下 (例如 1% 標註比例)，AIScene 的效能提升更加顯著。
• 消融實驗結果表明，點雲擦除策略和基於圖塊的資料增強方法均能有效提升模型效能，且兩者結合使用時效果最佳。

主要結論

• AIScene 方法能夠有效解決現有半監督式光達語義分割方法中存在的場景一致性和語義多樣性問題，並在有限標註資料下取得顯著的效能提升。
• 點雲擦除策略和基於圖塊的資料增強方法可以獨立應用於其他基於偽標籤機制的半監督式光達語義分割方法中，具有良好的泛化能力。

研究意義

本研究提出的 AIScene 方法為半監督式光達語義分割提供了一種新的思路，有助於降低對大量標註資料的依賴，並為自動駕駛等領域的 3D 環境感知技術發展提供技術支持。

局限與未來研究方向

• 本研究主要針對駕駛場景下的光達語義分割任務，未來可以進一步探索 AIScene 方法在其他應用場景下的泛化能力。
• 基於圖塊的資料增強方法中，圖塊大小和填充策略等參數對模型效能有一定的影響，未來可以進一步研究如何自適應地調整這些參數以獲得更優的效能表現。

סטטיסטיקה

AIScene 在 SemanticKITTI 資料集上，僅使用 1% 的標註資料，相較於現有最佳方法 DDSemi，mIoU 提升了 1.9%。
AIScene 在 nuScenes 資料集上，僅使用 1% 的標註資料，相較於現有最佳方法 DDSemi，mIoU 提升了 5.3%。
在 SemanticKITTI 資料集上，使用點雲擦除策略後，模型在不同標註資料比例下，mIoU 平均提升了 3.9%。
在 SemanticKITTI 資料集上，使用基於圖塊的資料增強方法後，模型在不同標註資料比例下，mIoU 平均提升了 5.6%。
將圖塊分割數量設定為 18 時，模型在 SemanticKITTI 資料集上的分割效能最佳。

ציטוטים

"To address inconsistency and implement the multi-scene mixing idea, we explore Scene AffInity for semi-supervised LiDAR semantic segmentation, named AIScene."
"AIScene has been extensively evaluated through experiments and demonstrated superiority on two popular benchmarks for semi-supervised LiDAR semantic segmentation."
"It exceeds state-of-the-art methods by 1.3% on the SemanticKITTI [2] and 2.4% on the nuScenes [10] in terms of average performance across four settings (1%, 10%, 20%, and 50% labeled data)."

תובנות מפתח מזוקקות מ:

Exploring Scene Affinity for Semi-Supervised LiDAR Semantic Segmentation

by Chuandong Li... ב- arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2408.11280.pdf

שאלות מעמיקות

除了點雲擦除策略和基於圖塊的資料增強方法外，還有哪些方法可以有效提升半監督式光達語義分割模型的效能？

除了點雲擦除策略和基於圖塊的資料增強方法外，以下方法也能有效提升半監督式光達語義分割模型的效能：

更強的偽標籤生成策略: AIScene 使用預設置信度閾值來生成偽標籤，可以考慮更精細的偽標籤生成策略，例如：

動態閾值調整: 根據訓練過程中的模型表現動態調整置信度閾值，在訓練初期使用較高的閾值，隨著訓練的進行逐漸降低閾值，以更好地利用未標記數據。
類別平衡策略: 考慮不同類別樣本數量的不平衡問題，對偽標籤進行加權或重采樣，避免模型偏向於樣本數量較多的類別。
多模型融合: 使用多個 teacher 模型生成偽標籤，並通過投票或融合的方式得到更準確的偽標籤。

利用其他模態數據: 可以融合其他模態數據，例如 RGB 影像、雷達數據等，來提供更豐富的場景資訊，彌補單一光達數據的不足。例如：

多模態特徵融合: 將光達數據與其他模態數據在特徵層面進行融合，例如使用注意力機制自適應地融合不同模態的特徵。
跨模態一致性約束: 利用不同模態數據之間的互補性，設計跨模態一致性約束，例如要求模型在不同模態數據上的預測結果保持一致。

引入弱監督資訊: 可以利用一些容易獲取的弱監督資訊，例如場景點雲的整體標籤、物體 bounding box 等，來輔助模型訓練。例如：

點雲級別弱監督學習: 利用場景點雲的整體標籤，設計損失函數來約束模型對整個場景的預測結果。
邊界框級別弱監督學習: 利用物體 bounding box，設計損失函數來約束模型對物體區域的預測結果。

新的網絡架構和訓練策略: 可以探索更適合半監督學習的光達語義分割網絡架構和訓練策略，例如：

基於圖神經網絡的模型: 利用圖神經網絡强大的關係建模能力，更好地捕捉點雲數據中的空間結構資訊。
自監督預訓練: 使用自監督學習方法對模型進行預訓練，例如利用旋轉預測、點雲重構等任務，使模型學習到更通用的特徵表示。

若將 AIScene 方法應用於其他類型的 3D 點雲資料，例如室內場景點雲資料，其效能表現是否會受到影響？

將 AIScene 方法應用於室內場景點雲資料時，其效能表現可能會受到一定影響，主要原因在於：

場景結構差異: 室內場景和室外駕駛場景的結構差異較大，例如室內場景通常包含更多小型物體、遮擋更嚴重、點雲分佈更不均勻等，這些因素都可能影響 AIScene 的效能。
語義類別差異: 室內場景和室外駕駛場景的語義類別也存在差異，例如室內場景包含更多家具、家電等類別，而室外駕駛場景包含更多道路、車輛等類別，這些差異可能影響 AIScene 的泛化能力。
為了提升 AIScene 在室內場景點雲資料上的效能，可以考慮以下調整：

調整點雲預處理方法: 針對室內場景點雲資料的特點，調整點雲預處理方法，例如使用更精細的體素化方法、更有效的遮擋處理方法等。
調整網絡架構和參數: 根據室內場景點雲資料的特點，調整網絡架構和參數，例如使用更深的網絡結構、更小的卷積核等。
使用室內場景數據集進行訓練: 使用室內場景數據集對 AIScene 進行訓練，例如 ScanNet、Matterport3D 等，以提升模型在室內場景上的適應能力。

如何將 AIScene 方法與其他深度學習技術，例如強化學習或生成對抗網路，相結合，以進一步提升模型的效能和泛化能力？

將 AIScene 與強化學習或生成對抗網路結合，可以探索以下方向：

強化學習:

將語義分割作為強化學習的環境感知模組: 將 AIScene 訓練得到的語義分割模型作為強化學習智能體的環境感知模組，為智能體提供更精確的環境資訊，例如在機器人導航任務中，可以利用 AIScene 識別道路、障礙物等，幫助機器人規劃更安全的路径。
利用強化學習優化 AIScene 的訓練過程: 將 AIScene 的訓練過程建模為一個強化學習問題，例如將點雲擦除策略、資料增強方法等視為智能體的動作，通過設計獎勵函數來引導智能體學習更優的訓練策略。

生成對抗網路 (GAN):

使用 GAN 生成更真實的偽標籤: 利用 GAN 的生成能力，生成更真實、更符合真實數據分佈的偽標籤，例如可以使用條件 GAN，將未標記的點雲數據作為輸入，生成對應的語義分割結果。
使用 GAN 生成更豐富的訓練數據: 利用 GAN 的生成能力，生成更多樣、更逼真的點雲數據，用於擴充訓練數據集，提升模型的泛化能力，例如可以使用 CycleGAN，將不同類型的點雲數據 (例如室內場景和室外場景) 進行轉換，生成新的訓練數據。
總之，將 AIScene 與強化學習或生成對抗網路結合，可以充分利用不同深度學習技術的優勢，進一步提升半監督式光達語義分割模型的效能和泛化能力。