Deep Hierarchical Rotation Invariance Learning with Exact Geometry Feature Representation for Point Cloud Classification

点云 人工智能 不变(物理) 计算机科学 稳健性(进化) 球谐函数 视觉对象识别的认知神经科学 旋转(数学) 算法 模式识别(心理学) 旋转矩阵 计算机视觉 特征提取 数学 数学分析 生物化学 数学物理 基因 化学
作者
Jianjie Lin,Markus Rickert,Alois Knoll
标识
DOI:10.1109/icra48506.2021.9561307
摘要

Rotation invariance is a crucial property for 3D object classification, which is still a challenging task. State-of-the-art deep learning-based works require a massive amount of data augmentation to tackle this problem. This is however inefficient and classification accuracy suffers a sharp drop in experiments with arbitrary rotations. We introduce a new descriptor that can globally and locally capture the surface geometry properties and is based on a combination of spherical harmonics energy and point feature representation. The proposed descriptor is proven to fulfill the rotation-invariant property. A limited bandwidth spherical harmonics energy descriptor globally describes a 3D shape and its rotation-invariant property is proven by utilizing the properties of a Wigner D-matrix, while the point feature representation captures the local features with a KNN to build the connection to its neighborhood. We propose a new network structure by extending PointNet++ with several adaptations that can hierarchically and efficiently exploit local rotation-invariant features. Extensive experimental results show that our proposed method dramatically outperforms most state-of-the-art approaches on standard rotation-augmented 3D object classification benchmarks as well as in robustness experiments on point perturbation, point density, and partial point clouds.
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