pointnet2 pytorch版本代码详解

PointNet2是一个用于点云分类和语义分割的神经网络模型，是PointNet的升级版。Pytorch是一个基于Python的科学计算框架，广泛应用于深度学习领域。下面对PointNet2的Pytorch版本代码进行详解。

1.数据预处理

首先，需要对输入的点云数据进行预处理。在Pytorch版本的PointNet2中，点云数据是以numpy数组的形式输入的，需要进行归一化和随机打乱顺序的操作。代码如下：

def provider():
    ......
    for i in range(len(batch_data)):
        # 数据归一化
        batch_data[i, :, :3] = pc_normalize(batch_data[i, :, :3])
        # 随机打乱顺序
        batch_data[i, :, :] = random_scale_point_cloud(batch_data[i, :, :])
        batch_data[i, :, :] = random_shift_point_cloud(batch_data[i, :, :])
        batch_data[i, :, :] = random_rotate_point_cloud(batch_data[i, :, :])
        batch_data[i, :, :] = jitter_point_cloud(batch_data[i, :, :])
    ......

其中，pc_normalize函数用于归一化点云数据，random_scale_point_cloud、random_shift_point_cloud、random_rotate_point_cloud和jitter_point_cloud函数用于随机打乱点云数据的顺序。

2.构建模型

在Pytorch版本的PointNet2中，模型的构建使用了Pytorch的nn.Module类，可以方便地进行模型的组合和优化。代码如下：

class PointNet2ClsMsg(nn.Module):
    def __init__(self, input_channels=0, use_xyz=True):
        super().__init__()

        self.input_channels = input_channels
        self.use_xyz = use_xyz

        self.sa1 = PointNetSetAbstractionMsg(512, [0.1, 0.2, 0.4], [32, 64, 128], input_channels, use_xyz)
        self.sa2 = PointNetSetAbstractionMsg(128, [0.4, 0.8], [128, 256], self.sa1.out_channels, use_xyz)
        self.sa3 = PointNetSetAbstractionMsg(None, None, [512, 1024], self.sa2.out_channels, use_xyz)

        self.fc1 = nn.Linear(1024, 512)
        self.bn1 = nn.BatchNorm1d(512)
        self.drop1 = nn.Dropout(0.5)
        self.fc2 = nn.Linear(512, 256)
        self.bn2 = nn.BatchNorm1d(256)
        self.drop2 = nn.Dropout(0.5)
        self.fc3 = nn.Linear(256, 40)

    def forward(self, xyz, points):
        l1_xyz, l1_points = self.sa1(xyz, points)
        l2_xyz, l2_points = self.sa2(l1_xyz, l1_points)
        l3_xyz, l3_points = self.sa3(l2_xyz, l2_points)

        x = l3_points.view(l3_points.size()[0], -1)
        x = F.relu(self.bn1(self.fc1(x)))
        x = self.drop1(x)
        x = F.relu(self.bn2(self.fc2(x)))
        x = self.drop2(x)
        x = self.fc3(x)
        x = F.log_softmax(x, -1)

        return x

在这个模型中，使用了三个PointNetSetAbstractionMsg模块和三个全连接层，其中PointNetSetAbstractionMsg是PointNet2中的一个基础模块。在这个模型中，首先通过PointNetSetAbstractionMsg模块对输入的点云数据进行特征提取，然后通过全连接层将提取的特征映射到输出空间。最后，通过log_softmax函数将输出转化为概率分布。

3.定义损失函数和优化器

在Pytorch版本的PointNet2中，使用交叉熵损失函数和Adam优化器进行训练。代码如下：

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001, weight_decay=1e-4)

其中，nn.CrossEntropyLoss是Pytorch中的交叉熵损失函数，optim.Adam是Pytorch中的Adam优化器，lr表示学习率，weight_decay表示L2正则化参数。

4.模型训练

在Pytorch版本的PointNet2中，模型训练的流程与Pytorch中的通用模型训练流程相似，包括前向传播、计算损失、反向传播和参数更新等步骤。代码如下：

for epoch in range(num_epochs):
    train_loss = 0.0
    train_correct = 0
    train_total = 0

    model.train()
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        data, target = data.to(device), target.to(device)

        optimizer.zero_grad()

        output = model(data[:, :, :3], data)
        loss = criterion(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()

        train_loss += loss.item()
        _, predicted = output.max(1)
        train_total += target.size(0)
        train_correct += predicted.eq(target).sum().item()

    train_acc = 100. * train_correct / train_total
    train_loss /= train_total

    print('Train Epoch: {} | Loss: {:.4f} | Acc: {:.4f}'.format(
        epoch, train_loss, train_acc))

其中，train_loader是Pytorch中的数据加载器，用于进行数据批量加载，device表示使用的设备（CPU或GPU）。在训练过程中，首先将数据和标签转移到指定的设备上，然后进行前向传播、计算损失、反向传播和参数更新等操作。最后，输出每个epoch的训练损失和准确率。

5.模型测试

在Pytorch版本的PointNet2中，模型测试的流程与模型训练的流程类似，也需要进行数据加载、前向传播和输出预测结果等操作。代码如下：

model.eval()
with torch.no_grad():
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(test_loader):
        data, target = data.to(device), target.to(device)

        output = model(data[:, :, :3], data)
        _, predicted = output.max(1)

        # 输出预测结果
        print(predicted)

在测试过程中，需要将模型设置为eval模式，关闭梯度计算，然后进行前向传播和输出预测结果等操作。