Luận văn 3D Point Cloud Reconstruction của Nguyen Phuoc Nguyen Phuc tại ĐH Bách Khoa TP.HCM

Luận văn về tái tạo mây điểm 3D, phương pháp và ứng dụng trong xử lý dữ liệu không gian, giúp cải thiện chính xác mô hình 3D từ dữ liệu thực tế.

Chuyên ngành

Khoa học Máy tính

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận văn tốt nghiệp

2024

97
1
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Luận văn 3D Point Cloud Reconstruction

Luận văn 3D point cloud reconstruction là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực xử lý hình ảnh 3Dtrí tuệ nhân tạo. Đây là đề tài capstone project từ Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung vào việc tái tạo các vật thể 3D từ dữ liệu không hoàn chỉnh. Nghiên cứu này giải quyết vấn đề thiếu dữ liệu điểm trong các ứng dụng thực tế như quét laser, chụp ảnh 3D và viễn thám. Point cloud completion không chỉ là thách thức kỹ thuật mà còn có giá trị thực tiễn cao trong công nghiệp 4.0. Luận văn trình bày một giải pháp toàn diện từ lý thuyết đến ứng dụng, sử dụng phương pháp deep learning tiên tiến để nâng cao độ chính xác của việc tái tạo 3D point cloud.

1.1. Khái niệm Point Cloud trong xử lý 3D

Point cloud là tập hợp các điểm trong không gian 3D đại diện cho hình dạng vật thể. Mỗi điểm chứa tọa độ (x, y, z) và thông tin bổ sung như màu sắc. Dữ liệu point cloud thu được từ các cảm biến LiDAR, máy ảnh Kinect hoặc các thiết bị quét 3D. Vấn đề missing data trong point cloud làm giảm chất lượng 3D reconstruction, yêu cầu các phương pháp intelligent completion để khôi phục thông tin thiếu.

1.2. Tầm quan trọng của 3D Point Cloud Reconstruction

3D point cloud reconstruction có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y tế, game 3D và robotics. Việc tối ưu hóa point cloud completion giúp cải thiện chất lượng dữ liệu đầu vào cho các hệ thống computer visionmachine learning. Phương pháp AdaPoinTr trong luận văn này đạt hiệu quả cao trong việc xử lý dữ liệu không đầy đủ, mở ra tiềm năng ứng dụng trong thực tế.

II. Phương pháp AdaPoinTr trong Reconstruction 3D

AdaPoinTr là phương pháp baseline được nghiên cứu sâu trong luận văn này, đại diện cho sự phát triển mới nhất trong point cloud completion. Phương pháp này sử dụng kiến trúc encoder-decoder kết hợp với multi-head attention mechanism để xử lý dữ liệu 3D một cách hiệu quả. Positional encoding trong AdaPoinTr cho phép mô hình hiểu được vị trí không gian của các điểm trong point cloud. Nghiên cứu cho thấy rằng AdaPoinTr vượt trội so với các phương pháp truyền thống trong việc tái tạo hình dạng 3D từ dữ liệu không hoàn chỉnh. Kiến trúc này được thiết kế đặc biệt để xử lý noisekhác biệt trong dữ liệu thực tế.

2.1. Kiến trúc Encoder Decoder của AdaPoinTr

Encoder của AdaPoinTr tiếp nhận incomplete point cloud và trích xuất các đặc trưng cấp cao. Decoder sau đó sử dụng các đặc trưng này để tạo lại các điểm 3D bị thiếu. Attention mechanism giúp mô hình tập trung vào các vùng quan trọng của point cloud. Kiến trúc này cho phép xử lý dữ liệu không đềuthích ứng với các hình dạng khác nhau.

2.2. Cơ chế Multi head Attention trong 3D Reconstruction

Multi-head attention là thành phần quan trọng giúp mô hình học mối quan hệ giữa các điểm trong point cloud. Cơ chế này cho phép đồng thời xử lý nhiều khía cạnh của dữ liệu 3D. Positional encoding kết hợp với attention giúp mô hình hiểu được cấu trúc không gian của vật thể, cải thiện đáng kể độ chính xác của reconstruction.

III. Cải tiến và Tối ưu hóa Point Cloud Completion

Luận văn đề xuất các cải tiến cho mô hình baseline nhằm giải quyết những giới hạn của các phương pháp hiện tại. Các cấu trúc mới được phát triển để xử lý tốt hơn dữ liệu noisykhông đầy đủ trong các tình huống thực tế. Optimization techniques được áp dụng để nâng cao tốc độ xử lýđộ chính xác của 3D point cloud reconstruction. Các thử nghiệm cho thấy rằng các cải tiến này tăng hiệu suất mô hình khi áp dụng trên unseen data. Phương pháp generalization được cải thiện để mô hình có thể hoạt động hiệu quả với các loại point cloud mới chưa gặp trong quá trình huấn luyện.

3.1. Xử lý Dữ liệu Noisy và Incomplete

Dữ liệu thực tế thường chứa noisethiếu thông tin, làm giảm hiệu suất 3D reconstruction. Luận văn đề xuất các kỹ thuật preprocessingrobust learning methods để xử lý dữ liệu không lý tưởng. Augmentation strategies được sử dụng để cải thiện khả năng tổng quát hóa của mô hình AdaPoinTr trong các điều kiện thực tế.

3.2. Tối ưu hóa Mô hình cho Ứng dụng Thực tế

Performance optimization được áp dụng để giảm computational cost của point cloud completion. Các kỹ thuật model compressionefficient architecture giúp mô hình chạy nhanh hơn trên edge devices. Real-world testing cho thấy rằng các cải tiến này duy trì độ chính xác trong khi giảm thời gian xử lý, làm cho 3D reconstruction khả thi hơn cho ứng dụng thương mại.

IV. Kết quả Thực nghiệm và Ứng dụng Thực tế

Các thực nghiệm toàn diện được tiến hành trên các datasets tiêu chuẩn để đánh giá hiệu suất của phương pháp đề xuất. Evaluation metrics bao gồm chamfer distance, earth mover's distance và các chỉ số khác để đo lường chất lượng reconstruction. Kết quả cho thấy rằng cải tiến của AdaPoinTr vượt trội so với các phương pháp cạnh tranh trong độ chính xácrobustness. Comparative analysis với các baseline methods chứng minh hiệu quả của phương pháp mới. Các phát hiện này mở đường cho các ứng dụng thực tế trong robotics, autonomous vehicles3D scanning systems.

4.1. Đánh giá Hiệu suất Point Cloud Reconstruction

Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình cải tiến đạt điểm số cao hơn so với baseline AdaPoinTr trên tất cả các datasets kiểm tra. Độ chính xác được cải thiện đáng kể trong hoàn thiện hình dạngbảo toàn chi tiết của vật thể. Robustness testing chứng minh rằng mô hình hoạt động ổn định ngay cả khi dữ liệu đầu vàomức độ thiếu sót cao hoặc chứa nhiều noise.

4.2. Triển khai và Tương lai của 3D Point Cloud Reconstruction

Phương pháp được phát triển có thể được tích hợp vào các hệ thống thực tế để xử lý 3D data từ các cảm biến LiDARcamera 3D. Ứng dụng tiềm năng bao gồm autonomous driving, medical imagingindustrial automation. Hướng phát triển tương lai tập trung vào tăng cường hiệu năngtích hợp với các deep learning frameworks để mở rộng ứng dụng của 3D point cloud reconstruction.

11/12/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNILOGY FALCULTY OF COMPUTER SCIENCE AND ENGINEERING ——————– * ——————– REPORT CAPSTONE PROJECT 3D POINT CLOUD RECONSTRUCTION Major: COMPUTER SCIENCE THESIS COMMITTEE: COMPUTER SCIENCE - 02 CLC SUPERVISOR: NGUYEN DUC DUNG REVIEWER: LE THANH SACH ——o0o—— STUDENT: NGUYEN PHUOC NGUYEN PHUC - 2053342 HO CHI MINH CITY, JUNE 2024 Declaration As the author of this work, Nguyen Phuoc Nguyen Phuc - 2053342, hereby declare that the thesis entitled ”3D Point Cloud Reconstruction” represents my original work and findings, conducted under the supervision of Dr. Nguyen Duc Dung. We acknowledge that: • The work presented in this thesis, including the introduction, current work survey, baseline development, and experimental analysis, is based on my independent research conducted at Ho Chi Minh University of Technology. • All references, sources of information, and contributions from other researchers or sources have been appropriately cited and acknowledged in accordance with academic conventions and citation guidelines.

• Any assistance, technical support, or guidance received during the course of this research project has been duly acknowledged in the thesis. • The results, discussions, and conclusions drawn in this thesis are the outcome of my analysis and interpretation of the data gathered during this study. • The thesis has not been previously submitted for any degree or qualification at this or any other institution. Ho Chi Minh, JUNE 2024 Author Nguyen Phuoc Nguyen Phuc Thanks We would like to express my heartfelt gratitude for your unwavering support through- out the journey of my project.

Your guidance and mentorship have been invaluable, and your constant inspiration, feedback, and direction have truly made a significant differ- ence. We are deeply thankful for your dedication to my success, and we couldn’t have accomplished this without your help. we also want to extend my appreciation to all the other professors and teachers who have equipped us with the knowledge and skills necessary to carry out this project. Your dedication to imparting knowledge and fostering a love for learning has been instrumen- tal in my academic growth.

Additionally, we want to thank our friends who have provided valuable insights and ideas, contributing to the development of this project. Your willingness to share your thoughts and collaborate with us has been a source of encouragement and inspiration. This project would not have been possible without the collective efforts, encourage- ment, and guidance of all these individuals. we are sincerely grateful for their support, and we look forward to continuing to learn and grow under their mentorship and guid- ance.

Once again, thank you from the bottom of my heart. Content Sumary Introduction (Chapter 1):This chapter motivates the research on point cloud comple- tion, outlining the importance of accurate 3D object reconstruction from incomplete data. It defines point cloud missingness and discusses its causes, highlighting the real-world applications where this problem arises. Background Knowledge (Chapter 2):This chapter provided the essential background for understanding 3D point cloud completion.

This foundation prepares you for the deeper dive into the mechanisms and advancements of point cloud completion in the following sections. Survey (Chapter 3 + Chapter 4):These 2 chapters provide a comprehensive survey of existing point cloud completion methods. It covers different datasets, evaluation metrics (Chapter 3), and previously proposed approaches (Chapter 4). A comparative analysis of various methods highlights their strengths and weaknesses, offering insights into the current state-of-the-art.

Baseline Method (Chapter 5):This chapter focuses on the chosen baseline method, AdaPoinTr, for further investigation. It provides a detailed description of the architec- ture, including the encoder-decoder structure, multi-head attention mechanism, positional encoding, and other key components. Improve The Baseline Method (Chapter 6 + Chapter 7):These 2 chapters shed light on the limitations of existing baseline models for 3D point cloud completion. We explored the challenges these models face when dealing with incomplete and noisy data, which are hallmarks of real-world scenarios.

To bridge this gap and enable application to real-life problems, we then proposed advancements that focus on enhancing the model’s ability to handle imperfect data and generalize effectively to unseen real-world situations. These advancements aim to pave the way for robust and reliable point cloud completion in practical applications. Experiments and Results (Chapter 8):This chapter presents the experimental results of applying AdaPoinTr to various datasets. It analyzes the performance of the model in terms of accuracy and robustness, comparing it to other methods and highlighting its strengths and limitations.

The results offer valuable insights into the effectiveness of AdaPoinTr and pave the way for further research and development. Conclusion (Chapter 9):This chapter summarizes the key findings of the thesis, em- phasizing the contributions of the point cloud completion research. It discusses the limi- tations of the current approach and outlines potential avenues for future exploration. This chapter concludes by reiterating the importance and significance of point cloud comple- tion in various computer vision applications.1 The Rise of 3D Data and Point Clouds .2 Challenges of Raw Point Cloud Data .3 3D Point Cloud Reconstruction: A Solution .4 Project Scope: Point Cloud Completion .5 Project Goals and Deliverables .1 Fundamentals of 3D Point Clouds .1 What is 3D Point Cloud .3 Point Cloud Processing Techniques .2 Machine Learning and Deep Learning in 3D Point Cloud.

10 3 Datasets and Metrics for 3D Point Cloud 13 3.1 ShapeNet [14] - A Large-Scale Dataset for 3D Shape Understanding 13 3.2 ModelNet [18]: A Clean and Categorized Dataset for 3D Point Cloud Analysis .3 PCN [21] Dataset: A Benchmark for Point Cloud Completion .4 S3DIS [19]: Unveiling the Structure of Indoor Scenes .2 Earth’s Mover Distances .1 Point-based methods .2 Convolution-based methods .3 Graph-based methods .4 GAN-based method .5 Transformer-based methods. 26 i 5 AdaPoinTr: Diverse Point Cloud Completion with Adaptive Geometry-Aware Transformers 28 5.1 Why chosing AdaPointr for 3D Point Cloud Completion .1 Set-to-Set Translation with Transformers .3 Geometry-aware Transformer Block .5 Multi-Scale Point Cloud Generation .6 Adaptive Denoising Queries. 34 6 Enhancing the Existing Loss 36 6.1 Drawbacks of Chamfer Distance Loss .2 Solution: InfoCD [55] - A Contrastive Chamfer Distance Loss .1 Core Concept Of InfoCD .2 Chamfer Distance Loss .3 InfoCD Loss Function. 39 7 Multi-Object Completion 42 7.1 The Limitation of Synthetic Training .2 AdaPoinTr Initial Setting .3 Limited Generalize ability .2 A more general learning .1 The Partial Normalize .2 Anti One Direction .3 Uniform Random Sampling .3 Multi-ShapeNet Dataset .1 Steps to create ShapeNet Room .4 Transfer Learning on S3DIS datset .1 Object Point Cloud Completion .1 Benchmark for Diverse Point Completion .2 Results on PCN dataset .3 Results on ShapeNet34 .4 Result on ShapeNet55 dataset .2 Multi Object Completion .1 Setting for Multi Object Completion .2 Experiments result on Multi ShapeNet .3 Experiment on S3DIS.

67 9 Conclusion And Future Research Direction 77 9.2 Future Research Direction. 78 List of Tables 3.1 Summary of existing datasets for point cloud completion [5].1 Results on the PCN dataset [15].2 Results on the ShapeNet55 dataset [15].3 Results on the ShapeNet34 dataset [15].4 Complexity analysis of existing methods.1 Result on PCN dataset after 100 epochs.2 Result on PCN dataset (InfoCD) after 100 epochs.3 Result on ShapeNet34 dataset (CD) after 10 epochs.4 Result on ShapeNet Unseen 21 (CD) after 10 epochs.5 Result on ShapeNet34 dataset (InfoCD) after 10 epochs.6 Result on ShapeNet21 Unseen (InfoCD) after 10 epochs.7 Result on ShapeNet55 dataset (CD) after 10 epochs (part 1).8 Result on ShapeNet55 dataset (CD) after 10 epochs (part 2).9 Result on ShapeNet55 dataset (InfoCD) after 10 epochs (part 1).10 Result on ShapeNet55 dataset (InfoCD) after 10 epochs (part 2).11 Test result on Multi ShapeNet 200 epoch with Chamfer Distance.12 Test result on Multi ShapeNet 200 epoch with Info Chamfer Distance. 70 iv List of Figures 1.1 3D Point Cloud for Autonomous Driving Car.2 3D Point Cloud for Robotic .3 Example building point cloud after floor partitioning [4].4 Schematic of complete point cloud and missing 70% point cloud [5].5 Reasons for incomplete point clouds [5].1 Convolutional Neural Network for Images [10].2 Encoder-Decoder Transformer Architecture [14].3 An illustration of a graph-based network [17].1 Some categories in ShapeNet dataset [15].1 End-to-end network for point clouds completion. N represents the dimen- sion of latent space [5].2 Description of two-step-folding decoding.3 The architecture of FoldingNet [35].2 Comparisons of the vanilla Transformer block and the proposed geometry- aware Transformer block [14].3 Three types of queries for transformer decoder [15].4 Improvement made by AdaPoinTr compare to PoinTr [15].1 Illustration of comparison among CD, MI, and InfoCD with different numbers of samples.2 Illustration of the moving directions of matched points.1 Some examples from ShapeNet.

It can be seen that all object, despite their size, is all at a same scale and direction.2 Examples when applying original model objects that are out of distibution.3 Some Rooms example from Multi-ShapeNet.4 Some rooms that collected from S3DIS dataset.5 Some objects that collected from S3DIS dataset.1 Inference on PCN after 100 epochs.2 Inference result on ShapeNet34 (easy missing).3 Inference result on ShapeNet21 (easy missing).4 Inference result on ShapeNet34 and 21 with 25% missing points.5 Point Spreading Comparing between a) CD and b) InfoCD.6 Inference result on ShapeNet55 (easy missing).7 Multi-ShapeNet room View 1. a) Full room before cutting. b) After re- moveing 50% point and c) After completion process using AdaPoinTr.8 Multi-ShapeNet room View 2. a) Full room before cutting.

b) After re- moveing 50% point and c) After completion process using AdaPoinTr.9 Multi-ShapeNet inference results.10 Transfer inferencing on S3DIS. The left image is raw object, the right one is after completion.1 The Rise of 3D Data and Point Clouds In recent years, the world of technology has witnessed an incredible surge in the de- velopment of 3D technologies, leading to remarkable advancements in various fields. The applications of 3D technology have transcended the realm of imagination, permeating our daily lives, and revolutionizing industries such as autonomous vehicles, architecture, gam- ing, and more. These innovations have transformed the way we interact with the world and opened new avenues for creativity and problem-solving.

(a) Illustration of 3D Point cloud segmentation following the road slope. Ground points are green, obstacles are pink [1]. (b) Examples of autonomous vehicles. In all model, the Lidar sensor can be seen on the roof of the car [2].1: 3D Point Cloud for Autonomous Driving Car.2: 3D point cloud (colored) with pose estimates (grey) of OP-Net AP on real- world data without ICP refinement for ring screws.

The emergence of 3D technology has been particularly influential in the development of autonomous vehicles, where it enables precise environmental mapping and navigation. Architects and urban planners now utilize 3D models to visualize and design structures with unparalleled precision. Gamers are immersed in lifelike virtual worlds, thanks to the realistic 3D environments created for their enjoyment. These are just a few examples of how 3D technology has redefined our experiences and possibilities.

Within the ever-evolving landscape of 3D technology, point clouds stand as a revo- lutionary force, silently gathering and transforming the intricate details of our physical world. These dense collections of data points act like digital detectives, meticulously cap- turing the nuances of objects, spaces, and environments. They are more than just dots on a screen; they are the raw material for a new era of understanding and interacting with the world around us. One of the most potent applications of point clouds lies in 3D scanning.

Imagine holding a wand that, instead of casting spells, captures the essence of reality in a digi- tal tapestry of points. This is the power of 3D scanners equipped with laser or LiDAR technology. They sweep their beams across objects and landscapes, transforming every bump, curve, and crevice into a precise numerical map. From the weathered facade of an ancient temple to the intricate machinery of a modern factory, point clouds breathe digital life into the physical world.3: Example building point cloud after floor partitioning [4].

But point clouds are not mere static representations. They are the building blocks for a dynamic digital realm.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ