In this work, we present Point Transformer, a deep neural network that operates directly on unordered and unstructured point sets. We design Point Transformer to extract local and global features and relate both representations by introducing the local-global attention mechanism, which aims to capture spatial point relations and shape information. For that purpose, we propose SortNet, as part of the Point Transformer, which induces input permutation invariance by selecting points based on a learned score. The output of Point Transformer is a sorted and permutation invariant feature list that can directly be incorporated into common computer vision applications. We evaluate our approach on standard classification and part segmentation benchmarks to demonstrate competitive results compared to the prior work. Code is publicly available at: https://github.com/engelnico/point-transformer INDEX TERMS 3D point processing, Artificial neural networks, Computer vision, Feedforward neural networks, Transformer

变压器在自然语言处理中的成功最近引起了计算机视觉领域的关注。由于能够学习长期依赖性，变压器已被用作广泛使用的卷积运算符的替代品。事实证明，这种替代者在许多任务中都取得了成功，其中几种最先进的方法依靠变压器来更好地学习。在计算机视觉中，3D字段还见证了使用变压器来增加3D卷积神经网络和多层感知器网络的增加。尽管许多调查都集中在视力中的变压器上，但由于与2D视觉相比，由于数据表示和处理的差异，3D视觉需要特别注意。在这项工作中，我们介绍了针对不同3D视觉任务的100多种变压器方法的系统和彻底审查，包括分类，细分，检测，完成，姿势估计等。我们在3D Vision中讨论了变形金刚的设计，该设计使其可以使用各种3D表示形式处理数据。对于每个应用程序，我们强调了基于变压器的方法的关键属性和贡献。为了评估这些方法的竞争力，我们将它们的性能与12个3D基准测试的常见非转化方法进行了比较。我们通过讨论3D视觉中变压器的不同开放方向和挑战来结束调查。除了提出的论文外，我们的目标是频繁更新最新的相关论文及其相应的实现：https：//github.com/lahoud/3d-vision-transformers。

The irregular domain and lack of ordering make it challenging to design deep neural networks for point cloud processing. This paper presents a novel framework named Point Cloud Transformer(PCT) for point cloud learning. PCT is based on Transformer, which achieves huge success in natural language processing and displays great potential in image processing. It is inherently permutation invariant for processing a sequence of points, making it well-suited for point cloud learning. To better capture local context within the point cloud, we enhance input embedding with the support of farthest point sampling and nearest neighbor search. Extensive experiments demonstrate that the PCT achieves the state-of-the-art performance on shape classification, part segmentation, semantic segmentation and normal estimation tasks.

变压器一直是自然语言处理（NLP）和计算机视觉（CV）革命的核心。 NLP和CV的显着成功启发了探索变压器在点云处理中的使用。但是，变压器如何应对点云的不规则性和无序性质？变压器对于不同的3D表示（例如，基于点或体素）的合适性如何？各种3D处理任务的变压器有多大的能力？截至目前，仍然没有对这些问题的研究进行系统的调查。我们第一次为3D点云分析提供了越来越受欢迎的变压器的全面概述。我们首先介绍变压器体系结构的理论，并在2D/3D字段中审查其应用程序。然后，我们提出三种不同的分类法（即实现 - 数据表示和基于任务），它们可以从多个角度对当前的基于变压器的方法进行分类。此外，我们介绍了研究3D中自我注意机制的变异和改进的结果。为了证明变压器在点云分析中的优势，我们提供了基于各种变压器的分类，分割和对象检测方法的全面比较。最后，我们建议三个潜在的研究方向，为3D变压器的开发提供福利参考。

有效处理3D数据一直是一个挑战。大规模点云上的空间操作以稀疏数据存储，需要额外的成本。由于变形金刚的成功吸引，研究人员正在使用多头关注视力任务。但是，变压器中的注意力计算在输入数量和点云等集合的空间直觉中具有二次复杂性。我们重新设计了这项工作中的“变压器”，并将它们纳入形状分类以及部分和场景细分的层次结构框架中。我们建议我们的当地注意力单元，该单元捕获了空间社区的特征。我们还通过利用每次迭代的采样和分组来计算有效且动态的全局交叉注意。最后，为了减轻点云的非异质性，我们提出了一个有效的多尺度令牌化（MST），该标记（MST）提取了尺度不变的令牌以供注意操作。所提出的分层模型以平均准确性实现最新的形状分类，并以先前的分割方法的相同，同时需要更少的计算。我们提出的体系结构预测分割标签的标签约为以前最有效方法的延迟和参数计数的一半，具有可比的性能。该代码可从https://github.com/yigewang-whu/cloudattention获得。

3D点云的卷积经过广泛研究，但在几何深度学习中却远非完美。卷积的传统智慧在3D点之间表现出特征对应关系，这是对差的独特特征学习的内在限制。在本文中，我们提出了自适应图卷积（AGCONV），以供点云分析的广泛应用。 AGCONV根据其动态学习的功能生成自适应核。与使用固定/各向同性核的解决方案相比，AGCONV提高了点云卷积的灵活性，有效，精确地捕获了不同语义部位的点之间的不同关系。与流行的注意力体重方案不同，AGCONV实现了卷积操作内部的适应性，而不是简单地将不同的权重分配给相邻点。广泛的评估清楚地表明，我们的方法优于各种基准数据集中的点云分类和分割的最新方法。同时，AGCONV可以灵活地采用更多的点云分析方法来提高其性能。为了验证其灵活性和有效性，我们探索了基于AGCONV的完成，DeNoing，Upsmpling，注册和圆圈提取的范式，它们与竞争对手相当甚至优越。我们的代码可在https://github.com/hrzhou2/adaptconv-master上找到。

与卷积神经网络相比，最近开发的纯变压器架构已经实现了对点云学习基准的有希望的准确性。然而，现有点云变压器是计算昂贵的，因为它们在构建不规则数据时浪费了大量时间。要解决此缺点，我们呈现稀疏窗口注意（SWA）模块，以收集非空体素的粗粒颗粒特征，不仅绕过昂贵的不规则数据结构和无效的空体素计算，还可以获得线性计算复杂性到体素分辨率。同时，要收集关于全球形状的细粒度特征，我们介绍了相对的注意（RA）模块，更强大的自我关注变体，用于对象的刚性变换。我们配备了SWA和RA，我们构建了我们的神经结构，称为PVT，将两个模块集成到Point云学习的联合框架中。与以前的变压器和关注的模型相比，我们的方法平均达到了分类基准和10x推理加速的最高精度为94.0％。广泛的实验还有效地验证了PVT在部分和语义分割基准上的有效性（分别为86.6％和69.2％Miou）。

Point cloud learning has lately attracted increasing attention due to its wide applications in many areas, such as computer vision, autonomous driving, and robotics. As a dominating technique in AI, deep learning has been successfully used to solve various 2D vision problems. However, deep learning on point clouds is still in its infancy due to the unique challenges faced by the processing of point clouds with deep neural networks. Recently, deep learning on point clouds has become even thriving, with numerous methods being proposed to address different problems in this area. To stimulate future research, this paper presents a comprehensive review of recent progress in deep learning methods for point clouds. It covers three major tasks, including 3D shape classification, 3D object detection and tracking, and 3D point cloud segmentation. It also presents comparative results on several publicly available datasets, together with insightful observations and inspiring future research directions.

Point cloud is an important type of geometric data structure. Due to its irregular format, most researchers transform such data to regular 3D voxel grids or collections of images. This, however, renders data unnecessarily voluminous and causes issues. In this paper, we design a novel type of neural network that directly consumes point clouds, which well respects the permutation invariance of points in the input. Our network, named PointNet, provides a unified architecture for applications ranging from object classification, part segmentation, to scene semantic parsing. Though simple, PointNet is highly efficient and effective. Empirically, it shows strong performance on par or even better than state of the art. Theoretically, we provide analysis towards understanding of what the network has learnt and why the network is robust with respect to input perturbation and corruption.

由于其稀疏性和不规则性，点云处理是一个具有挑战性的任务。现有作品在本地特征聚合器或全局几何架构上引入精致的设计，但很少结合两个优点。我们提出了与高频融合（DSPoint）的双模点云识别，通过同时在体素和点上运行来提取本地全局功能。我们扭转了常规设计对体素和注意点的应用卷积。具体而言，我们通过通道尺寸解开点特征，用于双尺度处理：一个逐个明智的卷积，用于细粒度的几何解析，另一个由Voxel-Wise全球关注远程结构探索。我们设计了一个共同关注的融合模块，用于混合本地 - 全局模态，通过传送高频坐标信息来进行尺度间跨模型交互。广泛采用的ModelNet40，ShapEnet​​和S3DIS上的实验和消融展示了我们的DSPoint的最先进的性能。

随着激光雷达传感器和3D视觉摄像头的扩散，3D点云分析近年来引起了重大关注。经过先驱工作点的成功后，基于深度学习的方法越来越多地应用于各种任务，包括3D点云分段和3D对象分类。在本文中，我们提出了一种新颖的3D点云学习网络，通过选择性地执行具有动态池的邻域特征聚合和注意机制来提出作为动态点特征聚合网络（DPFA-NET）。 DPFA-Net有两个可用于三维云的语义分割和分类的变体。作为DPFA-NET的核心模块，我们提出了一个特征聚合层，其中每个点的动态邻域的特征通过自我注意机制聚合。与其他分割模型相比，来自固定邻域的聚合特征，我们的方法可以在不同层中聚合来自不同邻居的特征，在不同层中为查询点提供更具选择性和更广泛的视图，并更多地关注本地邻域中的相关特征。此外，为了进一步提高所提出的语义分割模型的性能，我们提出了两种新方法，即两级BF-Net和BF-Rengralization来利用背景前台信息。实验结果表明，所提出的DPFA-Net在S3DIS数据集上实现了最先进的整体精度分数，在S3DIS数据集上进行了语义分割，并在不同的语义分割，部分分割和3D对象分类中提供始终如一的令人满意的性能。与其他方法相比，它也在计算上更有效。

变压器在图像处理领域取得了显着的成就。受到这一巨大成功的启发，变形金刚在3D点云处理中的应用引起了越来越多的关注。本文提出了一个新颖的点云表示学习网络，具有双重自我注意的3D点云变压器（3DPCT）和一个编码器解码器结构。具体而言，3DPCT具有一个层次编码器，该编码器包含两个用于分类任务的局部全球双重注意模块（分段任务的三个模块），每个模块都包含一个局部特征聚合（LFA）块和全局特征学习（ GFL）块。 GFL块是双重的自我注意事项，既有在点上的自我注意力，又可以提高特征提取。此外，在LFA中，为更好地利用了提取的本地信息，设计了一种新颖的点自我发明模型，称为点斑点自我注意力（PPSA）。在分类和分割数据集上都评估了性能，其中包含合成数据和现实世界数据。广泛的实验表明，所提出的方法在分类和分割任务上都达到了最新的结果。

深入学习云越来越发展。将点与其邻居分组并对它们进行卷积相同的操作可以了解点云的本地特征，但此方法薄弱以提取长距离全局功能。在整个点云上执行关注的变换器可以有效地学习它的全局特征，但此方法几乎不会提取本地详细功能。在本文中，我们提出了一种新颖的模块，可以同时提取和保险熔断本地和全局功能，该功能被命名为CT-Block。 CT-块由两个分支组成，其中字母C表示卷积分支，字母T表示变压器分支。卷积分支对分组邻点的卷积进行了卷积以提取本地功能。同时，变压器分支对整个点云执行偏移注意过程以提取全局功能。通过CT-块中的特征传输元件构造的桥梁，本地和全局特征在学习期间彼此引导并有效地融合。我们应用CT-Block构建点云分类和分段网络，并评估几个公共数据集的性能。实验结果表明，由于CT-Block学习的特征是多种表现力的，所以由CT-Block构成的网络的性能在点云分类和分割任务实现现有技术。

点云学习界见证了从CNN到变形金刚的模型转移，纯变压器架构在主要学习基准上实现了最高精度。然而，现有的点变压器是计算昂贵的，因为它们需要产生大的注意图，其相对于输入大小具有二次复杂度（空间和时间）。为了解决这种缺点，我们介绍补丁注意（PAT），以便自适应地学习计算注意力地图的更小的基础。通过对这些基础的加权求和，PAT仅捕获全局形状上下文，而且还可以实现输入大小的线性复杂性。此外，我们提出了一种轻量级的多尺度关注（MST）块来构建不同尺度特征的关注，提供具有多尺度特征的模型。我们配备了PAT和MST，我们构建了我们的神经结构，称为PatchFormer，将两个模块集成到Point云学习的联合框架中。广泛的实验表明，我们的网络对一般点云学习任务的可比准确性具有9.2倍的速度高于先前的点变压器。

点云完成任务旨在预测不完整的点云的缺失部分，并通过详细信息生成完整的点云。在本文中，我们提出了一个新颖的点云完成网络，即完成。具体而言，从具有不同分辨率的点云中学到了特征，该分辨率是从不完整输入中采样的，并根据几何结构转换为一系列\ textit {spots}。然后，提出了基于变压器的密集关系增强模块（DRA），以学习\ textit {spots}中的特征，并考虑这些\ textit {spots}之间的相关性。 DRA由点局部注意模块（PLA）和点密集的多尺度注意模块（PDMA）组成，其中PLA通过适应邻居的权重，PDMA Expolo the Local \ textit {spots}捕获本地信息。这些\ textit {spots}之间的全局关系以多尺度的密集连接方式。最后，由\ textit {spots}通过多分辨率点融合模块（MPF）预测完整形状，该模块（mpf）逐渐从\ textit {spots}中逐渐生成完整的点云，并基于这些生成的点进行更新\ textit {spots}云。实验结果表明，由于基于变压器的DRA可以从不完整的输入中学习表达性特征，并且MPF可以完全探索这些功能以预测完整的输入，因此我们的方法在很大程度上优于先进方法。

人类自然有效地在复杂的场景中找到突出区域。通过这种观察的动机，引入了计算机视觉中的注意力机制，目的是模仿人类视觉系统的这一方面。这种注意机制可以基于输入图像的特征被视为动态权重调整过程。注意机制在许多视觉任务中取得了巨大的成功，包括图像分类，对象检测，语义分割，视频理解，图像生成，3D视觉，多模态任务和自我监督的学习。在本调查中，我们对计算机愿景中的各种关注机制进行了全面的审查，并根据渠道注意，空间关注，暂时关注和分支注意力进行分类。相关的存储库https：//github.com/menghaoguo/awesome-vision-tions致力于收集相关的工作。我们还建议了未来的注意机制研究方向。

点云的学习表示是3D计算机视觉中的重要任务，尤其是没有手动注释的监督。以前的方法通常会从自动编码器中获得共同的援助，以通过重建输入本身来建立自我判断。但是，现有的基于自我重建的自动编码器仅关注全球形状，而忽略本地和全球几何形状之间的层次结构背景，这是3D表示学习的重要监督。为了解决这个问题，我们提出了一个新颖的自我监督点云表示学习框架，称为3D遮挡自动编码器（3D-OAE）。我们的关键想法是随机遮住输入点云的某些局部补丁，并通过使用剩余的可见图来恢复遮挡的补丁，从而建立监督。具体而言，我们设计了一个编码器，用于学习可见的本地贴片的特征，并设计了一个用于利用这些功能预测遮挡贴片的解码器。与以前的方法相反，我们的3D-OAE可以去除大量的斑块，并仅使用少量可见斑块进行预测，这使我们能够显着加速训练并产生非平凡的自我探索性能。训练有素的编码器可以进一步转移到各种下游任务。我们证明了我们在广泛使用基准下的不同判别和生成应用中的最先进方法的表现。

Scene understanding is crucial for autonomous robots in dynamic environments for making future state predictions, avoiding collisions, and path planning. Camera and LiDAR perception made tremendous progress in recent years, but face limitations under adverse weather conditions. To leverage the full potential of multi-modal sensor suites, radar sensors are essential for safety critical tasks and are already installed in most new vehicles today. In this paper, we address the problem of semantic segmentation of moving objects in radar point clouds to enhance the perception of the environment with another sensor modality. Instead of aggregating multiple scans to densify the point clouds, we propose a novel approach based on the self-attention mechanism to accurately perform sparse, single-scan segmentation. Our approach, called Gaussian Radar Transformer, includes the newly introduced Gaussian transformer layer, which replaces the softmax normalization by a Gaussian function to decouple the contribution of individual points. To tackle the challenge of the transformer to capture long-range dependencies, we propose our attentive up- and downsampling modules to enlarge the receptive field and capture strong spatial relations. We compare our approach to other state-of-the-art methods on the RadarScenes data set and show superior segmentation quality in diverse environments, even without exploiting temporal information.

Astounding results from Transformer models on natural language tasks have intrigued the vision community to study their application to computer vision problems. Among their salient benefits, Transformers enable modeling long dependencies between input sequence elements and support parallel processing of sequence as compared to recurrent networks e.g., Long short-term memory (LSTM). Different from convolutional networks, Transformers require minimal inductive biases for their design and are naturally suited as set-functions. Furthermore, the straightforward design of Transformers allows processing multiple modalities (e.g., images, videos, text and speech) using similar processing blocks and demonstrates excellent scalability to very large capacity networks and huge datasets. These strengths have led to exciting progress on a number of vision tasks using Transformer networks. This survey aims to provide a comprehensive overview of the Transformer models in the computer vision discipline. We start with an introduction to fundamental concepts behind the success of Transformers i.e., self-attention, large-scale pre-training, and bidirectional feature encoding. We then cover extensive applications of transformers in vision including popular recognition tasks (e.g., image classification, object detection, action recognition, and segmentation), generative modeling, multi-modal tasks (e.g., visual-question answering, visual reasoning, and visual grounding), video processing (e.g., activity recognition, video forecasting), low-level vision (e.g., image super-resolution, image enhancement, and colorization) and 3D analysis (e.g., point cloud classification and segmentation). We compare the respective advantages and limitations of popular techniques both in terms of architectural design and their experimental value. Finally, we provide an analysis on open research directions and possible future works. We hope this effort will ignite further interest in the community to solve current challenges towards the application of transformer models in computer vision.