PointSeg 深層学習ネットワークを使用した LIDAR 点群のセマンティックセグメンテーション

この例では次を使用します。

この例では、オーガナイズド 3 次元 LiDAR 点群データで PointSeg セマンティックセグメンテーションネットワークに学習させる方法を示します。

PointSeg [1] は、オーガナイズド LiDAR 点群に基づく道路オブジェクトに対してエンドツーエンドのセマンティックセグメンテーションを実行するための畳み込みニューラルネットワーク (CNN) です。Atrous Spatial Pyramid Pooling (ASPP) や Squeeze-and-Excitation ブロックなどの手法を使用することにより、ネットワークは改善されたセグメンテーション結果を提供します。この例に示す学習手順では、深層学習ネットワークへの入力として 2 次元球面投影イメージが必要です。

この例では、Ouster OS1 センサーを使用して収集されたハイウェイのシーンのデータセットを使用します。これには、ハイウェイのシーンのオーガナイズド LiDAR 点群スキャンと、自動車やトラックのオブジェクトの対応するグラウンドトゥルースラベルが含まれています。データファイルのサイズは約 760 MB です。

LIDAR データセットのダウンロード

次のコードを実行して、ハイウェイのシーンのデータセットをダウンロードします。データセットには 1617 の点群が含まれており、cell 配列内の pointCloud オブジェクトとして格納されています。例に添付されている対応するグラウンドトゥルースデータには、各点群内の自動車とトラックの境界ボックス情報が含まれています。

url = 'https://www.mathworks.com/supportfiles/lidar/data/WPI_LidarData.tar.gz';

outputFolder = fullfile(tempdir,'WPI');
lidarDataTarFile = fullfile(outputFolder,'WPI_LidarData.tar.gz');

if ~exist(lidarDataTarFile, 'file') 
    mkdir(outputFolder);
    
    disp('Downloading WPI Lidar driving data (760 MB)...');
    websave(lidarDataTarFile, url);
    untar(lidarDataTarFile,outputFolder); 
end

% Check if tar.gz file is downloaded, but not uncompressed.
if ~exist(fullfile(outputFolder, 'WPI_LidarData.mat'), 'file')
    untar(lidarDataTarFile,outputFolder);
end
lidarData = load(fullfile(outputFolder, 'WPI_LidarData.mat'));

groundTruthData = load('WPI_LidarGroundTruth.mat');

メモ: インターネット接続の速度によっては、ダウンロードプロセスに時間がかかることがあります。このコードは、ダウンロードプロセスが完了するまで、MATLAB® の実行を一時停止します。または、Web ブラウザーを使用してデータセットをローカルディスクにダウンロードした後、WPI_LidarData を抽出することもできます。Web からダウンロードしたファイルを使用するには、コード内の変数 outputFolder をダウンロードしたファイルの場所に変更します。

事前学習済みのネットワークのダウンロード

学習の完了を待たなくて済むように、事前学習済みのネットワークをダウンロードします。ネットワークに学習させる場合は、変数 doTraining を true に設定します。

doTraining = false;
if ~doTraining && ~exist('trainedPointSegNet.mat','file')
    disp('Downloading pretrained network (14 MB)...');
    pretrainedURL = 'https://www.mathworks.com/supportfiles/lidar/data/trainedPointSegNet.mat';
    websave('trainedPointSegNet.mat', pretrainedURL);
end

Downloading pretrained network (14 MB)...

学習用データの準備

LIDAR 点群とクラスラベルの読み込み

この例に添付されているサポート関数 helperGenerateTrainingData を使用して、LIDAR 点群から学習データを生成します。この関数は、点群と境界ボックスのデータを使用して、5 チャネルの入力イメージとピクセルラベルイメージを作成します。ピクセルラベルイメージを作成するために、関数は境界ボックス内の点を選択して、境界ボックスのクラス ID でそれらにラベルを付けます。各学習イメージは、次の 64 x 1024 x 5 の配列として指定されます。

各イメージの高さは 64 ピクセル。
各イメージの幅は 1024 ピクセル。
各イメージには 5 つのチャネルがあります。5 つのチャネルは、点群の 3 次元座標、強度、および範囲を $r = \sqrt{x^{2} + y^{2} + z^{2}}$ で指定します。

学習データの視覚的表現は次のようになります。

5 チャネルの学習イメージとピクセルラベルイメージを生成します。

imagesFolder = fullfile(outputFolder, 'images');
labelsFolder = fullfile(outputFolder, 'labels');

helperGenerateTrainingData(lidarData, groundTruthData, imagesFolder, labelsFolder);

Preprocessing data 100.00% complete

5 チャネルのイメージは MAT ファイルとして保存されます。ピクセルラベルは PNG ファイルとして保存されます。

メモ: 処理には時間がかかる場合があります。このコードは、処理が完了するまで MATLAB® の実行を一時停止します。

I`mageDatastore` と P`ixelLabelDatastore` の作成

imageDatastoreオブジェクトを使用し、カスタム MAT ファイルリーダーであるサポート関数 helperImageMatReader を使用して、2 次元球面イメージの 5 つのチャネルを抽出して保存します。関数は、サポートファイルとしてこの例に添付されています。

imds = imageDatastore(imagesFolder, ...
         'FileExtensions', '.mat', ...
         'ReadFcn', @helperImageMatReader);

pixelLabelDatastore (Computer Vision Toolbox)オブジェクトを使用して、ラベルイメージからピクセル単位のラベルを保存します。オブジェクトは、各ピクセルラベルをクラス名にマッピングします。この例では、自動車とトラックのみを対象オブジェクトとし、他のすべてのピクセルは背景とします。それらのクラス (自動車、トラック、背景) を指定し、各クラスに一意のラベル ID を割り当てます。

classNames = [
    "background"
    "car"
    "truck"
];

numClasses = numel(classNames);

% Specify label IDs from 1 to the number of classes.
labelIDs = 1 : numClasses;

pxds = pixelLabelDatastore(labelsFolder, classNames, labelIDs);

この例のサポート関数の節で定義されている関数 helperDisplayLidarOverlayImage を使用して、対応する強度イメージに重ね合わせることにより、ラベル付けされたイメージの 1 つを読み込んで表示します。

imageNumber = 225;

% Point cloud (channels 1, 2, and 3 are for location, channel 4 is for intensity).
I = readimage(imds, imageNumber);

labelMap = readimage(pxds, imageNumber);
figure;
helperDisplayLidarOverlayImage(I, labelMap, classNames);
title('Ground Truth');

学習セット、検証セット、およびテストセットの準備

この例に添付されているサポート関数 helperPartitionLidarData を使用して、データを、それぞれ 970、216、431 のイメージを含む学習セット、検証セット、テストセットに分割します。

[imdsTrain, imdsVal, imdsTest, pxdsTrain, pxdsVal, pxdsTest] = ...
    helperPartitionLidarData(imds, pxds);

関数combineを使用して、学習データセットおよび検証データセットのピクセルデータストアとイメージデータストアを結合します。

trainingData = combine(imdsTrain, pxdsTrain); 
validationData = combine(imdsVal, pxdsVal);

データ拡張

データ拡張は、学習中に元のデータをランダムに変換してネットワークの精度を高めるために使用されます。データ拡張を使用すると、ラベル付き学習サンプルの数を実際に増やさずに、学習データをさらに多様化させることができます。

この例のサポート関数の節で定義されている関数 augmentData でカスタム前処理操作を指定して関数transformを使用し、学習データを拡張します。この関数は、球形の 2 次元イメージと関連するラベルを水平方向にランダムに反転します。データ拡張を学習データセットにのみ適用します。

augmentedTrainingData = transform(trainingData, @(x) augmentData(x));

クラスの重み付けを使用したクラスのバランス調整

データセット内のクラスラベルの分布を確認するには、関数countEachLabel (Computer Vision Toolbox)を使用します。

tbl = countEachLabel(pxds);
tbl(:,{'Name','PixelCount','ImagePixelCount'})

ans=3×3 table
         Name         PixelCount    ImagePixelCount
    ______________    __________    _______________

    {'background'}    1.0473e+08      1.0597e+08   
    {'car'       }    9.7839e+05      8.4738e+07   
    {'truck'     }    2.6017e+05      1.9726e+07

このデータセットのクラスは不均衡です。これは、路上シーンを含む自動車データセットに共通する問題です。背景クラスは、自動車やトラックのクラスよりも多くの領域をカバーしています。学習では上位クラスを優先してバイアスがかけられるため、正しく処理されていない場合は、こうした不均衡が学習プロセスに悪影響を及ぼす可能性があります。

これらの重みを使用して、クラスの不均衡を修正します。tbl.PixelCount プロパティのピクセルラベルのカウントを使用して、中央頻度クラスの重みを計算します。

imageFreq = tbl.PixelCount ./ tbl.ImagePixelCount;
classWeights = median(imageFreq) ./ imageFreq

classWeights = 3×1

    0.0133
    1.1423
    1.0000

ネットワークアーキテクチャの定義

例に添付されているサポート関数 createPointSeg を使用して、PointSeg ネットワークを作成します。このコードは、ネットワークの学習に使用する層グラフを返します。

inputSize = [64 1024 5];

lgraph = createPointSeg(inputSize, classNames, classWeights);

関数 analyzeNetwork を使用して、ネットワークアーキテクチャを対話的に可視化して表示します。

analyzeNetwork(lgraph)

学習オプションの指定

rmsprop 最適化アルゴリズムを使用してネットワークに学習させます。関数 trainingOptions を使用して、アルゴリズムのハイパーパラメーターを指定します。

maxEpochs = 30;
initialLearningRate= 5e-4;
miniBatchSize = 8;
l2reg = 2e-4;

options = trainingOptions('rmsprop', ...
    'InitialLearnRate', initialLearningRate, ...
    'L2Regularization', l2reg, ...
    'MaxEpochs', maxEpochs, ...
    'MiniBatchSize', miniBatchSize, ...
    'LearnRateSchedule', 'piecewise', ...
    'LearnRateDropFactor', 0.1, ...
    'LearnRateDropPeriod', 10, ...
    'ValidationData', validationData, ...
    'Plots', 'training-progress', ...
    'VerboseFrequency', 20);

メモ: miniBatchSize を減らして、学習時のメモリ使用量を制御します。

ネットワークの学習

doTraining が true の場合は、関数trainNetworkを使用して PointSeg ネットワークに学習させます。そうでない場合は、事前学習済みのネットワークを読み込みます。

ネットワークに学習させるのに CPU または GPU を使用できます。GPU を使用するには、Parallel Computing Toolbox™、および CUDA® 対応の NVIDIA® GPU が必要です。詳細については、GPU 計算の要件 (Parallel Computing Toolbox)を参照してください。

if doTraining    
    [net, info] = trainNetwork(trainingData, lgraph, options);
else
    pretrainedNetwork = load('trainedPointSegNet.mat');
    net = pretrainedNetwork.net;
end

テスト点群での結果の予測

学習済みのネットワークを使用して、テスト点群での結果を予測し、セグメンテーション結果を表示します。

まず、PCD ファイルを読み取り、点群を 5 チャネルの入力イメージに変換します。学習済みのネットワークを使用してラベルを予測します。セグメンテーションを重ね合わせて Figure を表示します。

ptCloud = pcread('ousterLidarDrivingData.pcd');
I = helperPointCloudToImage(ptCloud);
predictedResult = semanticseg(I, net);

figure;
helperDisplayLidarOverlayImage(I, predictedResult, classNames);
title('Semantic Segmentation Result');

この例のサポート関数のセクションで定義されている補助関数 helperDisplayLidarOverlayPointCloud を使用して、3 次元点群オブジェクト ptCloud でのセグメンテーション結果を表示します。

figure;
helperDisplayLidarOverlayPointCloud(ptCloud, predictedResult, numClasses);
view([95.71 24.14])
title('Semantic Segmentation Result on Point Cloud');

ネットワークの評価

テストセット全体で関数 semanticseg を実行して、ネットワークの精度を測定します。MiniBatchSize の値を 8 に設定して、イメージをセグメント化するときのメモリ使用量を減らします。システムの GPU メモリ量に応じて、この値は増減できます。

outputLocation = fullfile(tempdir, 'output');
if ~exist(outputLocation,'dir')
    mkdir(outputLocation);
end
pxdsResults = semanticseg(imdsTest, net, ...
                'MiniBatchSize', 8, ...
                'WriteLocation', outputLocation, ...
                'Verbose', false);

関数 semanticseg は、テストデータセットのセグメンテーション結果を PixelLabelDatastore オブジェクトとして返します。この関数は、imdsTest オブジェクト内の各テストイメージの実際のピクセルラベルデータを、'WriteLocation' 引数で指定されたディスクの場所に書き込みます。

関数evaluateSemanticSegmentation (Computer Vision Toolbox)を使用して、テストセットの結果からセマンティックセグメンテーションメトリクスを計算します。

metrics = evaluateSemanticSegmentation(pxdsResults, pxdsTest, 'Verbose', false);

Intersection over Union (IoU) メトリクスを使用して、クラスごとのオーバーラップの量を測定できます。

関数 evaluateSemanticSegmentation は、データセット全体、個々のクラス、および各テストイメージのメトリクスを返します。データセットレベルでメトリクスを表示するには、metrics.DataSetMetrics プロパティを使用します。

metrics.DataSetMetrics

ans=1×5 table
    GlobalAccuracy    MeanAccuracy    MeanIoU    WeightedIoU    MeanBFScore
    ______________    ____________    _______    ___________    ___________

       0.99209          0.83752       0.67895      0.98685        0.91654

データセットメトリクスは、ネットワークパフォーマンスの概要を提供します。各クラスが全体的なパフォーマンスに与える影響を確認するには、metrics.ClassMetrics プロパティを使用して各クラスのメトリクスを検査します。

metrics.ClassMetrics

ans=3×3 table
                  Accuracy      IoU      MeanBFScore
                  ________    _______    ___________

    background    0.99466     0.99212      0.98529  
    car           0.75977     0.50096      0.82682  
    truck         0.75814     0.54378      0.77119

ネットワーク全体のパフォーマンスは良好ですが、クラスメトリクスは、偏りのあるクラス (自動車とトラック) が、データが豊富なクラス (背景) ほどにはセグメント化されていないことを示しています。自動車とトラックのクラスを含むよりラベル付けされたデータでネットワークに学習させることにより、ネットワークのパフォーマンスを改善できます。

サポート関数

データを拡張する関数

関数 augmentData は、2 次元球面イメージと関連するラベルを水平方向にランダムに反転します。

function out = augmentData(inp)
%augmentData Apply random horizontal flipping.

out = cell(size(inp));

% Randomly flip the five-channel image and pixel labels horizontally.
I = inp{1};
sz = size(I);
tform = randomAffine2d('XReflection',true);
rout = affineOutputView(sz,tform,'BoundsStyle','centerOutput');

out{1} = imwarp(I,tform,'OutputView',rout);
out{2} = imwarp(inp{2},tform,'OutputView',rout);
end

2 次元球面イメージに LIDAR セグメンテーションマップを重ねて表示する関数

関数 helperDisplayLidarOverlayImage は、セマンティックセグメンテーションマップを 2 次元球面イメージの強度チャネルに重ね合わせます。この関数は、より見やすくなるように、重ね合わされたイメージのサイズも変更します。

function helperDisplayLidarOverlayImage(lidarImage, labelMap, classNames)
%helperDisplayLidarOverlayImage Overlay labels over the intensity image. 
% 
%  helperDisplayLidarOverlayImage(lidarImage, labelMap, classNames) 
%  displays the overlaid image. lidarImage is a five-channel lidar input. 
%  labelMap contains pixel labels and classNames is an array of label 
%  names.

% Read the intensity channel from the lidar image.
intensityChannel = uint8(lidarImage(:,:,4));

% Load the lidar color map.
cmap = helperLidarColorMap();

% Overlay the labels over the intensity image.
B = labeloverlay(intensityChannel,labelMap,'Colormap',cmap,'Transparency',0.4);

% Resize for better visualization.
B = imresize(B, 'Scale', [3 1], 'method', 'nearest');
imshow(B);

% Display the color bar.
helperPixelLabelColorbar(cmap, classNames); 
end

3 次元点群に LIDAR セグメンテーションマップを重ねて表示する関数

関数 helperDisplayLidarOverPointCloud は、オーガナイズド 3 次元点群にセグメンテーション結果を重ね合わせます。

function helperDisplayLidarOverlayPointCloud(ptCloud, labelMap, numClasses)
%helperDisplayLidarOverlayPointCloud Overlay labels over a point cloud object. 
% 
%  helperDisplayLidarOverlayPointCloud(ptCloud, labelMap, numClasses)
%  displays the overlaid pointCloud object. ptCloud is the organized
%  3-D point cloud input. labelMap contains pixel labels and numClasses
%  is the number of predicted classes.

sz = size(labelMap);

% Apply the color red to cars.
carClassCar = zeros(sz(1), sz(2), numClasses, 'uint8');
carClassCar(:,:,1) = 255*ones(sz(1), sz(2), 'uint8');

% Apply the color blue to trucks.
truckClassColor = zeros(sz(1), sz(2), numClasses, 'uint8');
truckClassColor(:,:,3) = 255*ones(sz(1), sz(2), 'uint8');

% Apply the color gray to the background.
backgroundClassColor = 153*ones(sz(1), sz(2), numClasses, 'uint8');

% Extract indices from the labels.
carIndices = labelMap == 'car';
truckIndices = labelMap == 'truck';
backgroundIndices = labelMap == 'background';

% Extract a point cloud for each class.
carPointCloud = select(ptCloud, carIndices, 'OutputSize','full');
truckPointCloud = select(ptCloud, truckIndices, 'OutputSize','full');
backgroundPointCloud = select(ptCloud, backgroundIndices, 'OutputSize','full');

% Apply colors to different classes.
carPointCloud.Color = carClassCar;
truckPointCloud.Color = truckClassColor;
backgroundPointCloud.Color = backgroundClassColor;

% Merge and add all the processed point clouds with class information.
coloredCloud = pcmerge(carPointCloud, truckPointCloud, 0.01);
coloredCloud = pcmerge(coloredCloud, backgroundPointCloud, 0.01);

% Plot the colored point cloud. Set an ROI for better visualization.
ax = pcshow(coloredCloud);
set(ax,'XLim',[-35.0 35.0],'YLim',[-32.0 32.0],'ZLim',[-3 8], ...
    'XColor','none','YColor','none','ZColor','none');
set(get(ax,'parent'), 'units','normalized');
end

LIDAR カラーマップを定義する関数

関数 helperLidarColorMap は、LIDAR データセットで使用されるカラーマップを定義します。

function cmap = helperLidarColorMap()

cmap = [
   0.00  0.00   0.00  % background
   0.98  0.00   0.00  % car
   0.00  0.00   0.98  % truck
   ];
end

ピクセルラベルカラーバーを表示する関数

関数 helperPixelLabelColorbar は、現在の軸にカラーバーを追加します。カラーバーは、クラス名を色で表示するように書式設定されています。

function helperPixelLabelColorbar(cmap, classNames)

colormap(gca, cmap);

% Add a colorbar to the current figure.
c = colorbar('peer', gca);

% Use class names for tick marks.
c.TickLabels = classNames;
numClasses = size(classNames, 1);

% Center tick labels.
c.Ticks = 1/(numClasses * 2):1/numClasses:1;

% Remove tick marks.
c.TickLength = 0;
end

参考文献

[1] Wang, Yuan, Tianyue Shi, Peng Yun, Lei Tai, and Ming Liu. “PointSeg: Real-Time Semantic Segmentation Based on 3D LiDAR Point Cloud.” ArXiv:1807.06288 [Cs], September 25, 2018. http://arxiv.org/abs/1807.06288.

PointSeg 深層学習ネットワークを使用した LIDAR 点群のセマンティック セグメンテーション

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