CVPR2021商汤自动驾驶！详述面向量产的3D目标与车道线检测

Posted 2023-02-04 人工智能博士

本文笔记来源：商汤科技高级研究员李弘扬的公开课

大佬讲的公开课，受益匪浅，值得学习，作为一次记录

1. 1 团队介绍

商汤科技自动驾驶团队依托公司为背景，以 SenseParrots 作为基础平台，进行超大规模的网络学习；在自动驾驶的核心技术方面，从视觉感知、激光雷达感知、多传感器融合等多方面持续发力；在产品应用的层面上，团队在车路协同、V2X 等方面都有不同级别和维度的项目在持续推进当中。团队的研究分为两个维度：L4 级别自动驾驶的落地和从 L0 到 L2 级别辅助驾驶的落地。

1.2 自动驾驶算法流程概述

Source from Apollo; revised

首先介绍自动驾驶在感知算法层面的流程图，数据处理模块是非常重要和关键的模块，其中包括大规模数据采集，车道线上传以及自动标注等过程。Image signal Processing（ISP）模块用于调节性噪比、白平衡、颜色通道等成像质量方面的内容。Network training & Optimization 用于 Object detection 、Lane detection 相关的工作。自动驾驶是一个非常复杂的系统，需要多传感器的融合，比如需要结合车道线的检测结果与自车信息进行在线标定，再结合车辆自身的 GPS、惯导等信息，动态地来输出车身位姿等 3D Geometry。随后将最终的车道线与目标检测结果输入到决策规划控制模块。

本次课程主要介绍 Object Detection 和 Lane Detection，包括在单目和 3D 两个 setting 下的工作的介绍。

Part 2 3D 物体检测

2.1 背景介绍

3D 目标检测在整个自动驾驶的 Pipeline 里是非常重要的一环，轨迹预测、意图判断、报警、规划控制等环节需要有 3D 信息作为输入源。其中一种检测方案，是直接使用 Lidar、Radar 等带有 3D 信息的传感器，或者使用 Camera，通过网络学习 2D 到 3D 的映射关系。Camera 所需的配置比较简单，成本低；在实际的工程化落地的过程当中，在雨雪或雾霾天气下，Camera 的鲁棒性要更高，且检测距离更远，30 fov 的相机可以达到 300 米。

有关 3D 检测任务的 paper 大致可以分成两类。第一类是 Pseudo-Lidar 的方法，通过 image 的 depth map 和对应的 image 的信息，投影到世界坐标系下，再套一个 3D 点云检测的 Pipeline，就可以进行预测。这种方法的优势是受内外参影响比较小，在 BEV 视角检测可以缓解目标远近尺寸不一致的问题，且朝向回归更加直观。第二类是直接通过 image 进行回归，对图片做预处理和 feature 提取后得到中间结果，利用这些结果做网络的 forward，得到最终的 3D 结果。此种方案更加受欢迎，且耗时较小。

在实际应用中，3D 检测任务存在一些问题，例如 Mono3D 模型对内外参依赖严重，截断、遮挡目标的检测性能下降明显、远距离小目标检测性能下降明显等。

从这些问题出发，下面将介绍本团队的一些研究工作。

2.2 Monocular 3D Object Detection: An Extrinsic Parameter Free Approach

本工作的出发点在于，目前 3D 物体检测对朝向的预测不太准确，希望能够做一些额外的优化。其次希望不直接去回归 3D 检测框，而是利用中间的结果，对中间结果做一些约束，再通过 Geometry 的变化得到 3D 信息。

本工作的方案分成两部分。上支路预测定位信息，即 location；下支路对单个目标预测关键点的 heatmap，location，输出局部朝向信息 。将局部预测结果投回到全局空间，输出最终的 3D 检测结果。

实验结果表明，性能得到了明显的提高，并且可以较好地嵌入 M3D-RPN 网络。且不同距离下的误差较为稳定。

2.3 Exploring Intermediate Representation for Monocular Vehicle Pose Estimation

这项工作主要解决外参变化的影响。车辆行驶中的颠簸会引起外参的变化，导致 3D 检测的深度预测不太准。这种任务需要额外的分支去预测外参，利用估算出来的相机外参把 Backbone 提出来的 feature 变化到同一个视角下，对同一视角的 feature 做 2D 检测和 3D 检测回归。

实验结果表明，在不同视角下获得的效果比较明显，尤其在颠簸路段，可以使稳定性获得较大提升。

2.4 总结

● 增加多种图像平面的检测点，用于辅助提升 3D 检测的性能

● 增加 2D 和 3D 的一致性约束，有助于模型性能提升

● 深度信息对 3D 目标检测性能提升明显，对截断目标也有一定帮助

● BEV 视角下的 3D 检测能将任务简化，对远近目标不一致问题又较大的优化

● 利用模型估算相机外参数，可以提升模型的泛化性能

Part 3 3D车道线检测

3.1 问题介绍与动机

车道线检测是从图像分割开始的，但由于在实际控制规划等后续模块中，需要在世界坐标系下，所以车道线检测有以下几个步骤：图像平面的车道线检测、投影到 (水平) 地面 (IPM, inverse perspective mapping)、根据车道线模型进行拟合等后处理。

但是这种方法存在一定的问题。如果用单目去做车道线检测，不依托别的模块，比如说在线标定等，车道线会在 BEV 下出现非常严重的抖动，且水平路面假设在复杂场景 (上下坡等) 不成立。学术数据集 (CULane/TuSimple等) 在线型/路沿等 attribute 上的缺失，与量产应用存在差异 。

3.2 现有工作介绍

AAAI 2018 https://arxiv.org/abs/2103.12040

In ArXiv https://arxiv.org/abs/1712.06080

从 2D 的经典的方法，例如 Special CNN 开始考虑，基于分割的任务去做 multi class 的分割，预测四条车道线。这个方法非常经典，但也有些不足，如固定的数量多车道线、需要聚类等后处理、模型比较大等。

一些 SOTA 的方法，如 LaneAF 引入了 Affinity Fields 的概念，打破了固定数量的限制。另外还有一些 Row-wise 的方法，其中比较代表性的是 CondLaneNet，这是阿里的一个工作，利用 conditional convolution，实现了更精细的车道线检测，并且引入了 Recurrent instance module 用于解决车道线分叉场景。

在 Anchor based 的 LaneATT 中，用一条线作为 anchor，并且在整个图片的左右、下面设置了上千个 anchor，对车道线关于 anchor 的 offset 进行回归，在车道线检测方面提升了很多点。

在3D车道线检测中具有代表性的是 3D-LaneNet 和 Gen-LaneNet。

3D-LaneNet 是一个一阶段模型，采用了 Anchor Based 的方法；Gen-LaneNet 是基于 3D-LaneNet 的提升，它是一个二阶段模型。第一阶段首先对 2D 层面进行图像分割，然后利用外参的真值将分割的图像投影到 virtual top view，最终预测得到 3D 下的结果。

3.3 未来可延伸方向讨论

在模型方面：

● Learning-based Online Calibration

● Incorporating Temporal Info

● Take-aways from 2D Lane Detection

● Take-aways from Depth Estimation, Object Detection, Multi-task learning

在数据集方面：

● Real world 3D Evaluation Metrics

● AP/F1 in different x/y

● Category/type:虚/实/黄/白

● Others:路沿/Stopline等

Part 4 实际量产方面对感知模块的需求和思考

在学术界中，以自动驾驶为例，需要检测图像里面所有的物体，mAP 越高越好，但在工业界，我们只关心 CIPO（危险目标），且泛化能力一定要强，并且需要考虑算力与性能的 trade off。

从纯学术技术到量产落地：工业界考量因素

● Philosophy 1: 相对自车，更关心前方物体和左右车道线，要求性能 maximize in all circumstances

● Philosophy 2: 相比bounding box，更关心3D空间下(x,y,z)的 物体间位置关系，即物体位置(深度)、速度、 加速度、轨迹

● Philosophy 3: 性能很重要，同时关心模型在某款芯片上部署时的 效率问题;希望多任务学习，最大化利用芯片资源

● Philosophy 4: 大规模数据采集、处理、部署

Part 5 Q&A

1. 请问多任务方案是怎么做的？

多任务方案大致有两个派别，一个是从 optimization 的角度算 loss，另一个是改网络的 architecture。多任务学习最重要的就是 task A 和 task B，同时学的时候能不能互相帮助，甚至带来提升。前提是这两个任务要比较像，例如 tracking 和 detection 是前后模块，有高度绑定的关系，可以互相来提升。或者引入一个额外的任务，其中包含 feature 或者 domain knowledge，帮助 task A 和 task B 同时提升。

2. 前向运动 co-image 是不是会退化？

激光雷达是一圈采集，转一圈只打一个点。在自车有运动的情况下，确实会有一些畸变。自车相对其他静止目标的畸变可以靠自车的运动信息做补偿。如果自车和其他目标之间有相对运动，只靠自车信息补偿是不够的。在数据出真值的时候，根据多帧的信息去判断，做一个运动模型，根据这个运动模型，对目标车上的激光雷达点云做补偿。

3. 深度信息如何获得？

深度信息可以直接通过激光点云获得。

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