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这篇论文的动机是解决3D数据表示学习中存在的挑战,即3D数据与2D图像或语言具有不同的结构,使得在细粒度知识的关联方面存在困难。作者希望通过自监督学习的方式,将来自图像领域的丰富知识应用于3D数据的表示学习中,从而提高3D任务的性能。作者提出一种自监督学习框架,用于跨模态的知识传递和特征蒸馏,以改善3D数据的表示学习和下游任务性能。
核心创新点是框架中的ACT(Autoencoding Cross-Transformers),它将预训练的基础Transformer模型转化为跨模态的3D教师模型,并通过自编码和掩码建模将教师模型的特征蒸馏到3D Transformer学生模型中。
作者通过以下方式设计和实现ACT框架:
ACT框架包括以下主要部分:
预训练的2D图像或语言Transformer:作为基础Transformer模型,具有丰富的特征表示能力。作者选择了先进的2D Transformer模型作为基础模型,例如Vision Transformers (ViTs) 或者语言模型(如BERT)。
训练:使用大规模的2D图像或语言数据集进行预训练,通过自监督学习任务(如自编码器或掩码建模)来学习模型的特征表示能力。
3D自动编码器:通过自监督学习,将2D图像或语言Transformer调整为3D自动编码器,用于学习3D几何特征。作者将预训练的2D图像或语言Transformer模型转换为3D自动编码器。通过将2D模型的参数复制到3D模型中,并添加适当的层或模块来处理3D数据。
使用3D数据集进行自监督学习,例如预测点云数据的遮挡部分、点云重建或其他3D任务。通过自监督学习任务,3D自动编码器可以学习到3D数据的几何特征。
跨模态教师模型:将预训练的3D自动编码器作为跨模态教师模型,通过掩码建模的方式将潜在特征传递给3D Transformer学生模型。
特征传递:通过掩码建模的方式,将3D自动编码器的潜在特征传递给3D Transformer学生模型。教师模型生成的潜在特征被用作学生模型的蒸馏目标,以引导学生模型学习更好的3D表示。
3D Transformer学生模型:接收来自教师模型的潜在特征,并用于学习3D数据的表示。
特征蒸馏:学生模型通过特征蒸馏的方式,利用教师模型的潜在特征作为监督信号,从而学习到更准确和具有丰富语义的3D表示。
这种设计和实现带来了多个好处:
总的来说,ACT框架的核心创新在于将自监督学习和特征蒸馏方法应用于3D数据中,实现了知识传递和表示学习的改进,为跨模态学习和深度学习模型的发展提供了新的思路和方法。
深度学习的成功在很大程度上依赖于具有全面标签的大规模数据,在获取3D数据方面比2D图像或自然语言更昂贵且耗时。这促使我们有可能利用用于不同模态知识转移的以3D数据为基础的预训练模型作为教师。
本文以统一的知识蒸馏方式重新考虑了掩码建模,并且展示了基于2D图像或自然语言预训练的基础Transformer模型如何通过训练作为跨模态教师的自编码器(ACT)来帮助无监督学习的3D表示学习。
预训练的ACT 3D学习者在各种下游基准测试中实现了最先进的泛化能力,例如在ScanObjectNN上的 %整体准确率。
图1 ACT框架的概述。
- (a)ACT利用在大规模数据上预训练的Transformer模型,例如使用2D图像预训练的ViT或使用语言预训练的BERT。
- (b)ACT的第一阶段(第4.1节),预训练的Transformer模型通过带提示的自监督3D自编码进行微调。
- (c)ACT的第二阶段(第4.2节),3D自编码器编码器被用作跨模态教师,将潜在特征编码为掩码点建模目标,用于3D Transformer学生的表示学习。
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