目錄

1. 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

2. 檢測與分類

3. 跟蹤

4. 分割

5. Apollo感知

6. 傳感器數(shù)據(jù)比較

7. 感知融合策略

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本文轉(zhuǎn)自微信公眾號：Apollo開發(fā)者社區(qū)?原創(chuàng)：?阿波君?Apollo開發(fā)者社區(qū)?8月29日

上一篇文章中，我們發(fā)布了無人駕駛技術(shù)的?感知篇 (上）。從感知的概述介紹到反向傳播算法。也有很多開發(fā)者對于往期內(nèi)容做了筆記，希望更多的同學(xué)能多多學(xué)習(xí)，勤做筆記。

本期將會(huì)繼續(xù)介紹感知的相關(guān)知識，深度學(xué)習(xí)無人駕駛感知的剩余內(nèi)容。希望各位開發(fā)者在學(xué)習(xí)的同時(shí)能夠做好筆記，在Apollo交流社群中與大家交流探討，共同進(jìn)步。

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視頻鏈接為：Apollo自動(dòng)駕駛?cè)腴T課程Sebastran感知_騰訊視頻

1. 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN?是一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它對感知問題特別有效，CNN接受多維輸入包括定義大多數(shù)傳感器數(shù)據(jù)的二維和三維形狀。如果使用標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對圖像進(jìn)行分類，則需要通過一種方法將圖像連接到網(wǎng)絡(luò)的第一層，這屬于一維。標(biāo)準(zhǔn)做法是通過將圖像矩陣重塑為一個(gè)矢量，并在一個(gè)大行中連接所有列，將圖像“展開”為一維像素陣列。

然而這種方法打破了圖像中所嵌入的空間信息，如果圖像中有車輪，則車輪中的所有像素將散布在整個(gè)像素陣列中。如果將其散布在一個(gè)維度上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很難從圖像中提取車輪。CNN通過維持輸入像素之間的空間關(guān)系來解決這個(gè)問題，CNN通過將過濾器連續(xù)滑過圖像來收集信息，每次收集信息時(shí)，只對整個(gè)圖像的一小部分區(qū)域進(jìn)行分析，稱為卷積。

當(dāng)在整個(gè)輸入圖像上對一個(gè)過濾器進(jìn)行卷積時(shí)，將該信息與下一個(gè)卷積層相關(guān)聯(lián)。例如CNN識別第一個(gè)卷積層中的基本邊緣和顏色信息，然后通過在第一層上卷積新過濾器，CNN使用邊緣和顏色信息來歸納更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)如車輪、車門、擋風(fēng)玻璃；而另一個(gè)卷積可使用車輪、車門、擋風(fēng)玻璃識別整個(gè)車輛；最后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可使用這一高階信息對車輛進(jìn)行分類。

CNN根據(jù)其任務(wù)查找真正需要的特征，任務(wù)可能是圖像檢測、分類、分割、其他類型的目標(biāo)。

2. 檢測與分類

感知任務(wù)中，首先是障礙物檢測和分類，在駕駛過程中會(huì)遇到許多障礙物，靜態(tài)障礙物包括墻壁、樹木、桿子、建筑物；動(dòng)態(tài)障礙物包括行人、自行車、汽車。計(jì)算機(jī)首先需要知道障礙物的位置，然后進(jìn)行分類。在路中行駛的無人駕駛車可能會(huì)探測到許多不同的物體，汽車根據(jù)所感知的物體類型來確定路徑和速度。如果感知到前方有一輛自行車，汽車可能會(huì)決定減速和變道，以便安全駛過自行車。但是如果感知到前方有另一輛車，并預(yù)測到前方車輛也將以接近限速的速度行駛，可能會(huì)保持其速度和車道。

將另一個(gè)示例為交通信號燈檢測分類，首先將使用計(jì)算機(jī)視覺對圖像中的交通信號燈進(jìn)行定位，然后根據(jù)燈光顯示顏色對交通信號燈進(jìn)行分類。

無人駕駛中，使用什么算法來對障礙物進(jìn)行檢測和分類？可以先使用檢測CNN來查找圖像中的對象的位置，在對圖像中的對象進(jìn)行定位后，可以將圖像發(fā)送給另一個(gè)CNN進(jìn)行分類。也可以使用單一CNN體系結(jié)構(gòu)對對象進(jìn)行檢測和分類，一種通常的做法為在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的末端附加幾個(gè)不同的“頭”，一個(gè)頭可能執(zhí)行檢測，另一個(gè)則可能執(zhí)行分類。經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)為 R-CNN、Fast R-CNN、Faster R-CNN、YOLO、SSD等。

3. 跟蹤

檢測完對象后，需要追蹤它們追蹤的意義是什么？如果我們對每個(gè)幀中的每個(gè)對象進(jìn)行檢測并用邊界框?qū)γ總€(gè)對象進(jìn)行標(biāo)識，那么跨幀追蹤對象會(huì)帶來哪些好處？

首先追蹤在檢測失敗時(shí)是至關(guān)重要的，如果你在運(yùn)行檢測算法時(shí)，對象被其他對象遮擋一部分，則檢測算法可能會(huì)失敗，但追蹤可以解決遮擋問題。另一個(gè)原因在于追蹤可以保留身份，障礙物檢測的輸出為包含對象的邊界框，但是對象沒有與任何身份關(guān)聯(lián)，單獨(dú)使用對象檢測時(shí)，計(jì)算機(jī)不知道一個(gè)幀中的哪些對象與下一幀中的哪些對象相對應(yīng)，該任務(wù)對人類來說很簡單，但對汽車來說很困難。

追蹤的第一步為確認(rèn)身份，通過查找特征相似度最高的對象，將在之前的幀中檢測到的所有對象與在當(dāng)前的幀中檢測到的對象進(jìn)行匹配。對象具有各種特征，可能基于顏色、基于形狀，計(jì)算機(jī)視覺算法可以計(jì)算出復(fù)雜的圖像特征，如局部二值模式和方向梯度直方圖。當(dāng)然也需要考慮連續(xù)視頻幀中，兩個(gè)障礙物之間的位置和速度，由于兩幀之間的對象位置和速度沒有太大變化，該信息也可以幫助快速找到匹配的對象。

在確定身份后，可以使用對象的位置并結(jié)合預(yù)測算法以估計(jì)在下一個(gè)時(shí)間步的速度和位置，該預(yù)測可幫助識別下一幀中的相應(yīng)對象。

4. 分割

語義分割涉及對圖像的每個(gè)像素進(jìn)行分類，用于盡可能詳細(xì)地了解環(huán)境并確定車輛可駕駛區(qū)域。

語義分割依賴于一種特殊類型的CNN，被稱為全卷積網(wǎng)絡(luò)FCN。FCN用卷積層來替代傳統(tǒng)CNN體系結(jié)構(gòu)末端的平坦層，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的每一層都是卷積層，因此名稱為“全卷積網(wǎng)絡(luò)”。

FCN提供了可在原始輸入圖像之上疊加的逐像素輸出，必須考慮的一個(gè)復(fù)雜因素是大小。在典型的CNN中經(jīng)過多次卷積之后所產(chǎn)生的輸出比原始輸入圖像小得多。然而為了分割像素，輸出尺寸必須與原始圖像的尺寸相匹配。為了完成，可以對中間輸出進(jìn)行上采樣處理，直到最終輸出的大小與原始輸出圖像的大小相匹配。網(wǎng)絡(luò)的前半部分通常被稱為編碼器，因?yàn)檫@部分網(wǎng)絡(luò)對輸入圖像的特征進(jìn)行了提取和編碼。網(wǎng)絡(luò)的后半部分通常被稱為解碼器，因?yàn)樗鼘@些特征進(jìn)行了解碼并將其應(yīng)用于輸出。

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提供了用于構(gòu)建世界視覺表征的足夠空間信息，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)不僅可以使用攝像頭圖像進(jìn)行對象分類，還可以使用點(diǎn)云和其他類型的空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對象分類。

5. Apollo感知

Apollo?開放式軟件棧可感知障礙物、交通信號燈、車道。對于三維對象檢測，Apollo 在高精度地圖上使用感興趣區(qū)域ROI來重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)對象。Apollo將ROI過濾器應(yīng)用于點(diǎn)云和圖像數(shù)據(jù)，以縮小搜索范圍并加快感知。

然后通過檢測網(wǎng)絡(luò)饋送已過濾的點(diǎn)云，輸出用于構(gòu)建圍繞對象的三維邊界框。

最后使用被稱為檢測跟蹤關(guān)聯(lián)的算法來跨時(shí)間步識別單個(gè)對象，該算法先保留在每個(gè)時(shí)間步要跟蹤的對象列表，然后在下一個(gè)時(shí)間步中找到每個(gè)對象的最佳匹配。

對于交通信號燈的分類，Apollo先使用高精度地圖來確定前方是否存在交通信號燈。如果前方有交通信號燈，則高精度地圖會(huì)返回?zé)舻奈恢谩：罄m(xù)根據(jù)位置，攝像頭搜索范圍，在攝像頭捕獲到交通信號燈圖像后。Apollo使用檢測網(wǎng)絡(luò)對圖像中的燈進(jìn)行定位，然后從較大的圖像中提取交通信號燈。將裁剪的交通燈圖像提供給分類網(wǎng)絡(luò)以確定燈顏色，如果有許多燈則系統(tǒng)需要選擇哪些燈與其車道相關(guān)。

Apollo使用?YOLO 網(wǎng)絡(luò)來檢測車道線、動(dòng)態(tài)物體其中包括車輛、卡車、騎自行車的人、行人。在經(jīng)過YOLO網(wǎng)絡(luò)檢測后，在線檢測模塊會(huì)并入來自其他傳感器的數(shù)據(jù)對車道線預(yù)測進(jìn)行調(diào)整，車道線最終被并入名為“虛擬車道”的單一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。同樣也通過其他傳感器的數(shù)據(jù)對YOLO網(wǎng)絡(luò)所檢測到的動(dòng)態(tài)對象進(jìn)行調(diào)整，以獲得每個(gè)對象的類型、位置、速度、前進(jìn)方向。虛擬通道和動(dòng)態(tài)對象均被傳遞到規(guī)劃與控制模塊。

6. 傳感器數(shù)據(jù)比較

感知通常依賴于攝像頭、激光雷達(dá)、雷達(dá)，如圖顯示了這三種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。攝像頭非常適用于分類，在Apollo中攝像頭主要用于交通信號燈分類、車道檢測。激光雷達(dá)的優(yōu)勢在于障礙物檢測，即使在夜間仍能準(zhǔn)確地檢測障礙物。雷達(dá)在探測范圍和應(yīng)對惡劣天氣方面占優(yōu)勢，通過融合這三種傳感器的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)最佳聚合性能，被稱為“傳感器融合”。

雷達(dá)已經(jīng)在汽車上使用很多年，在各種系統(tǒng)中都需要雷達(dá)，如自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)警告、碰撞警告和碰撞預(yù)防系統(tǒng)等。盡管雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)成熟，它仍在不斷進(jìn)步，作用不斷提升。其他傳感器測量速度的方法是計(jì)算兩次讀數(shù)之間的差距，而雷達(dá)則通過多普勒效應(yīng)來直接測量速度。多普勒效應(yīng)根據(jù)對象在遠(yuǎn)離還是接近你，測量出雷達(dá)的頻率變化。就像消防車警報(bào)器一樣，當(dāng)車輛正在遠(yuǎn)離你和駛向你時(shí)，聽起來聲是不一樣的。多普勒效應(yīng)對傳感器融合至關(guān)重要。因?yàn)樗梢园阉俣茸鳛楠?dú)立的測量參數(shù)，從而提升了融合算法的收斂速度。雷達(dá)還可以生成環(huán)境的雷達(dá)地圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位。因?yàn)槔走_(dá)波在堅(jiān)硬表面會(huì)回彈。因此，它可以直接測量對象距離，無需在視線范圍內(nèi)也可以。雷達(dá)可以看到其他車輛底部。并發(fā)現(xiàn)可能會(huì)被阻擋的建筑物和對象。在車上的所有傳感器中，雷達(dá)是不容易受雨霧影響的。而且視野寬闊，可達(dá) 150 度，距離可達(dá) 200 多米。與激光雷達(dá)和攝像頭相比，雷達(dá)分辨率較低，尤其是在垂直方向，分辨率非常有限。分辨率低意味著來自靜態(tài)物體的反射可能產(chǎn)生問題。例如，街道上檢修孔蓋或汽水罐，可能產(chǎn)生很高的雷達(dá)反射率，但他們并不大。我們將其稱為雷達(dá)雜波。因此，當(dāng)前的車載雷達(dá)通常會(huì)忽視靜態(tài)物體。

激光雷達(dá)是激光探測與測量的簡稱，而雷達(dá)則是無線電探測與測量的簡稱。雷達(dá)使用無線電波，而激光雷達(dá)則使用紅激光束來確定傳感器和附近對象的距離。目前的激光雷達(dá)大多使用 900 納米光波長度的光源。但部分激光雷達(dá)使用的光波長度更長，在雨霧中性能更好。當(dāng)前的激光雷達(dá)使用旋轉(zhuǎn)座架發(fā)射激光，掃描周邊環(huán)境。激光室脈沖式的，脈沖被對象反射，然后返回一個(gè)點(diǎn)云，來代表這些物體。激光雷達(dá)的空間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雷達(dá)。因?yàn)榧す馐骄劢?#xff0c;垂直方向的掃描層數(shù)量就越多，因此每層的激光雷達(dá)的密度也越高。目前，激光雷達(dá)還不能直接測量對象的速度，必須使用兩次或多次掃描之間的位置差來確定。激光雷達(dá)受天氣和傳感器清潔程度影響也很大，因此需要保持清潔。它們塊頭也比其他傳感器更大，因此也很難安裝，除非你只想在車頂安裝一個(gè)大的激光掃描器。

7. 感知融合策略

Apollo使用激光雷達(dá)和雷達(dá)來檢測障礙物，用于融合輸出的主要算法為卡爾曼濾波。卡爾曼濾波有兩個(gè)步驟：第一步為預(yù)測狀態(tài)，第二步是更新測量結(jié)果。設(shè)想正在跟蹤一名行人，這里的狀態(tài)表示行人的位置和速度，從已經(jīng)掌握的行人狀態(tài)開始，使用這些信息來執(zhí)行卡爾曼濾波的第一步，即預(yù)測行人在將來的狀態(tài)；下一步為誤差結(jié)果更新，使用新的傳感器來更新所認(rèn)為的行人狀態(tài)，卡爾曼濾波算法是預(yù)測和更新步驟的無限循環(huán)。

實(shí)際上有兩種測量結(jié)果更新步驟：同步和異步。同步融合同時(shí)更新來自不同傳感器的測量結(jié)果，而異步融合則逐個(gè)更新所收到的傳感器測量結(jié)果。傳感器融合可提高感知性能，因?yàn)楦鱾鞲衅飨噍o相成，融合也可以減少跟蹤誤差。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Apollo自动驾驶入门课程第⑤讲 — 感知（下）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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