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ComPose: 一种用于鲁棒类别级物体姿态估计的统一完成-姿态框架
ComPose: A Unified Completion-Pose Framework for Robust Category-Level Object Pose Estimation

作者: Huan Ren, Yihan Chen, Chuxin Wang 等6人
arXiv: 2605.25553v1
分类: cs.CV, cs.RO
📝 论文摘要
类别级物体姿态估计旨在预测特定类别中任意物体的姿态和尺寸。现有方法难以应对观测点云固有的不完整性,这限制了其捕捉完整物体形状以实现稳健姿态推理的能力。尽管点云补全提供了一种有前景的解决方案,但将其简单作为针对部分观测的独立预处理步骤会引入复合误差和额外计算开销,最终损害准确性与效率。为解决这些挑战,我们提出ComPose——一个紧密整合形状补全的新型统一框架,为增强姿态估计提供完整的几何线索。ComPose的核心是基于关键点的渐进式补全模块,通过逐步预测稀疏关键点集及其周围的密集点集来恢复完整形状表征,使关键点能够捕获整体物体几何结构。几何关系编码模块进一步用局部和全局几何上下文丰富关键点特征。此外,我们引入一种新型几何关系一致性损失,强制观测关键点与其预测NOCS坐标之间的结构对齐,确保全局一致的坐标变换。在标准基准上的大量实验表明,我们的方法在不依赖类别级形状先验的情况下优于现有最先进方法。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 类别级物体姿态估计(category-level object pose estimation)面临观测点云天然不完整的问题,现有方法难以捕获完整形状进行鲁棒姿态推理 - 独立的点云补全预处理步骤会引入复合误差和额外计算开销,降低精度和效率 - 研究背景:需要一种统一框架,将形状补全与姿态估计紧密结合,避免误差累积并提升鲁棒性
🔧 核心方法
- 提出**ComPose** 统一框架,通过**形状补全(shape completion)** 提供完整几何线索以增强姿态估计 - 核心模块为**基于关键点的渐进式补全模块(keypoint-based progressive completion module)**,逐步预测稀疏关键点及其周围密集点集,使关键点捕获整体物体几何 - 引入**几何关系编码模块(geometric relation encoding module)**,丰富关键点特征的局部与全局几何上下文 - 设计**几何关系一致性损失(geometric relation consistency loss)**,强制观测关键点与预测NOCS坐标之间的结构对齐,确保全局一致的坐标变换
💡 核心创新
- **首次** 将形状补全与姿态估计整合为**统一框架(unified framework)**,而非分离预处理,避免误差传播和计算冗余 - **渐进式关键点补全** 策略,从稀疏到密集逐步恢复完整形状,使关键点同时承载语义和几何信息 - **几何关系一致性损失** 实现了观测空间与规范空间的结构对齐,保障整体坐标变换的全局一致性 - **无需类别级形状先验(category-level shape priors)**,通过自监督约束即可超越现有SOTA方法
🏆 总体贡献
- 为类别级物体姿态估计提供了一种**统一补全-姿态(Completion-Pose)范式**,显著提升对不完整点云的鲁棒性 - 在标准基准上取得**SOTA(state-of-the-art)** 性能,无需依赖类别级形状先验 - 提出的**渐进式关键点补全** 与**几何关系一致性损失** 可推广至其他涉及部分观测形状的视觉任务 - 有效降低复合误差并提升效率,为实际应用(如机器人抓取、增强现实)提供更可靠的姿态估计方案