自動(dòng)駕駛的多傳感器數(shù)據(jù)融合要點(diǎn)和基本方法

本文整理了多傳感器數(shù)據(jù)融合（Multi－Sensor Data Fusion，MSDF）的要點(diǎn)和基本方法。介紹了Harmonize、Reconcile、Integrate、Synthesize之間的區(qū)別和對(duì)應(yīng)的解決方案。文章主要圍繞什么是MSDF；為什么要MSDF和如何進(jìn)行MSDF展開(kāi)，希望給對(duì)自動(dòng)駕駛感興趣的小伙伴，提供一些參考。

許多人工智能系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵要素是具有多傳感器數(shù)據(jù)融合（Multi－Sensor Data Fusion，MSDF）的能力。在人工智能系統(tǒng)處于一個(gè)特定的環(huán)境時(shí)，MSDF需要對(duì)周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行Harmonize；Reconcile；Integrate；Synthesize。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，傳感器相當(dāng)于眼睛耳朵等輸入感官，而人工智能系統(tǒng)需要以某種方式解釋這些輸入感官收集回來(lái)的信息，使其成為在現(xiàn)實(shí)世界可以被解釋且有價(jià)值的信息。在駕駛汽車時(shí)，多目標(biāo)跟蹤（Multi－Target Tracking，MTT）也是非常重要的課題——設(shè)想在市中心開(kāi)車，周圍都是行人和車輛，人類駕駛員要準(zhǔn)確的識(shí)別并躲避他們，自動(dòng)駕駛汽車也是。所以，這要求傳感器融合具備一個(gè)必須的性質(zhì)——實(shí)時(shí)性，就像人類每時(shí)每刻都在大腦中進(jìn)行傳感器融合一樣。盡管人類不會(huì)公開(kāi)地明確地將想法付諸于行動(dòng)，但是這些“傳感器融合”過(guò)程都是自然發(fā)生的。

自動(dòng)駕駛的MSDF

首先，需要明確一個(gè)老生常談的概念——SAE對(duì)于自動(dòng)駕駛等級(jí)的劃分。SAE給自動(dòng)駕駛汽車劃分為5個(gè)等級(jí)，對(duì)于L5以下的自動(dòng)駕駛汽車，要求必須有一個(gè)人類駕駛員（安全員）在場(chǎng)。目前，人工智能和人類駕駛員共同承擔(dān)駕駛?cè)蝿?wù)，而人類駕駛員被認(rèn)定為汽車行為的責(zé)任人。

回到MSDF的話題，下圖展示了人工智能自動(dòng)駕駛汽車如何進(jìn)行MSDF的一些關(guān)鍵要素。

上圖指出了MSDF面臨的主要挑戰(zhàn)是如何將收集來(lái)的大量數(shù)據(jù)集中在一起，并做出正確決策。因?yàn)槿绻鸐SDF出錯(cuò)，意味著下游階段要么沒(méi)有必要的信息，要是使用了錯(cuò)誤的信息做出了錯(cuò)誤的決策?？梢钥吹?，一般來(lái)說(shuō)，自動(dòng)駕駛汽車會(huì)通過(guò)安裝在車身周圍的攝像頭收集視覺(jué)數(shù)據(jù)，也會(huì)通過(guò)雷達(dá)（激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等）來(lái)收集諸如周圍物體運(yùn)動(dòng)速度的數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)是從不同角度來(lái)描述現(xiàn)實(shí)世界的同一樣或不同樣的物體。所以，使用什么類型的傳感器，怎么融合傳感器收集回來(lái)的數(shù)據(jù)，使用多少傳感器才能實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的對(duì)客觀世界的描述呢？通常來(lái)說(shuō)，使用越多的傳感器，對(duì)計(jì)算能力的要求就越高，這意味著自動(dòng)駕駛汽車必須搭載更多的計(jì)算機(jī)處理器和內(nèi)存，這也會(huì)增加汽車的重量，需要更多的功率，還會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。諸如此類的缺點(diǎn)還有很多。

多傳感器融合（MSDF）的四個(gè)關(guān)鍵方法

圖 Harmonize；Reconcile；Integrate；Synthesize的區(qū)別

Harmonize：

假設(shè)有兩種不同的傳感器，稱它們?yōu)閭鞲衅鱔和傳感器Z。它們都能夠感知自動(dòng)駕駛汽車的外部世界。在現(xiàn)實(shí)世界中存在一個(gè)物體，這個(gè)物體可能是人，也可能是車，甚至是一條狗，傳感器X和傳感器Z都能夠檢測(cè)到這個(gè)物體。這就意味著傳感器對(duì)這個(gè)物體進(jìn)行了雙重檢測(cè)，這種雙重檢測(cè)意味著兩種不同類型的傳感器都有關(guān)于該物體的數(shù)據(jù)報(bào)告，對(duì)于該物體有兩個(gè)維度不同地認(rèn)知。假設(shè)，傳感器X表示該物體高6英尺，寬2英尺；傳感器Z表示該物體以每秒3英尺的速度正朝著自動(dòng)駕駛車輛方向移動(dòng)。結(jié)合兩個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，就可以得出一條相對(duì)準(zhǔn)確的信息：有一個(gè)高約6英尺，寬2英尺的物體正在以每秒鐘3英尺的速度移動(dòng)。假設(shè)這兩自動(dòng)駕駛汽車上只安裝了X傳感器，那么就無(wú)法得知該物體的大??；若Z傳感器壞了，那么就只有物體的大小信息，無(wú)法檢測(cè)該物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這也就是最近業(yè)內(nèi)廣泛討論的“在自動(dòng)駕駛汽車上應(yīng)該安裝哪些傳感器”的問(wèn)題。

此前，特斯拉埃隆·馬斯克（Elon Musk）旗幟鮮明地聲稱，特斯拉不會(huì)安裝激光雷達(dá)。盡管馬斯克自己也認(rèn)為，L5自動(dòng)駕駛不會(huì)通過(guò)激光雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法最終可能被驗(yàn)證為錯(cuò)誤的，這依舊沒(méi)有改變馬斯克的決定。一些反對(duì)的聲音稱，不配備激光雷達(dá)的特斯拉，無(wú)法通過(guò)其他的傳感器獲取如同激光雷達(dá)效果相同的感官輸入，也無(wú)法提供補(bǔ)償和三角測(cè)量。但是另一些支持者認(rèn)為，激光雷達(dá)不值得話費(fèi)如此高昂的費(fèi)用成本，不值得為其增大計(jì)算能力，也不值得為其增加認(rèn)知時(shí)間。

Reconcile：

在同一個(gè)視場(chǎng)（Field of View，F(xiàn)OV）內(nèi)，假設(shè)傳感器X探測(cè)到一個(gè)物體，而傳感器Z沒(méi)有探測(cè)到。注意，這與物體完全在傳感器Z的FOV之外的情況有很大的不。一方面，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為傳感器X是正確的，Z是錯(cuò)誤的，可能是因?yàn)閆有故障，或者有模糊探測(cè)，或者是其他的一些什么原因。另一個(gè)方面，也許傳感器X是錯(cuò)誤的，X可能是報(bào)告了一個(gè)“幽靈”（實(shí)際上并不存在的東西），而傳感器Z報(bào)告那里沒(méi)有東西是正確的。

Integrate：

假設(shè)我們有兩個(gè)物體a和b，分別在傳感器X和傳感器Z的視場(chǎng)FOV內(nèi)（a在X視場(chǎng)內(nèi)，b在Z視場(chǎng)內(nèi)）。也就是說(shuō)，Z無(wú)法直接檢測(cè)到a，X也無(wú)法直接檢測(cè)到b。目前，想要實(shí)現(xiàn)的效果是，能否將X和Z的報(bào)告整合在一起，讓它們?cè)诟髯缘囊晥?chǎng)內(nèi)探測(cè)物體同時(shí)，判斷是否為X視場(chǎng)中的物體正在向Z視場(chǎng)移動(dòng)，預(yù)先提醒Z將有物體進(jìn)入探測(cè)區(qū)域。

Synthesize：

第四種方法Synthesize是將感知數(shù)據(jù)融合在一起，你可能會(huì)遇到這樣的情況，傳感器X和傳感器Z都沒(méi)有在各自的視場(chǎng)內(nèi)探測(cè)到物體。在這種情況下，沒(méi)有傳感器知道這個(gè)物體的存在，但是可以通過(guò)一些其他的感觀數(shù)據(jù)，比如聲音，間接地弄清楚在視場(chǎng)之外的物體情況。自動(dòng)駕駛汽車是時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的，所以要求這種預(yù)判是瞬間發(fā)生的，像上文提到的一樣，是實(shí)時(shí)的。

基于以上四種方法的解釋，當(dāng)各種不同傳感器收集回來(lái)的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起時(shí)，使用什么方法來(lái)處理這些數(shù)據(jù)呢？

絕對(duì)排序法：在這種方法中，需要事先決定一個(gè)傳感器的排序。比如，攝像投的級(jí)別高于雷達(dá)，或者雷達(dá)的級(jí)別高于攝像頭等等。在傳感器融合過(guò)程中，子系統(tǒng)使用預(yù)先確定的排序。比如，在Reconcile情況中，在交叉的視場(chǎng)FOV中，X檢測(cè)到了物體，但是Z沒(méi)有檢測(cè)到，而攝像頭傳感器X的級(jí)別高于雷達(dá)傳感器Z，那么Z的檢測(cè)結(jié)果不納入考慮范圍內(nèi)也是允許的。這個(gè)方法簡(jiǎn)單、快速、易實(shí)現(xiàn)，但是綜合考慮，這種方法并不嚴(yán)謹(jǐn)。

情況排序法：這種方法與絕對(duì)排名法相似，但不同之處在于，根據(jù)所處的環(huán)境，排名是可變的。例如，我們可能已經(jīng)設(shè)置好，如果有下雨的天氣，攝像頭容易受到雨水干擾，進(jìn)而攝像頭優(yōu)先級(jí)降低，雷達(dá)擁有最高優(yōu)先級(jí)。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單、快速、易于實(shí)現(xiàn)。然而，從全局角度看，它依然有所不足。

平等投票（協(xié)商一致）法：在這種方法中，允許每個(gè)傳感器進(jìn)行投票且投票能力都是平等的。然后使用一個(gè)計(jì)數(shù)算法，該算法與投票結(jié)果相匹配。如果傳感器的某個(gè)閾值都同意某個(gè)物體，而某些閾值不同意，那么就允許這個(gè)閾值決定人工智能系統(tǒng)做出判斷。同樣，這種方法綜合看起來(lái)依然有所不足。

加權(quán)投票法：有點(diǎn)類似于平等投票的方法，這種方法增加了一個(gè)權(quán)重，并選擇假設(shè)一些傳感器比另一些傳感器更重要。比如，系統(tǒng)可能傾向于認(rèn)為攝像頭比雷達(dá)更可靠，所以給攝像頭一個(gè)更高的加權(quán)系數(shù)等。

概率投票法：還可以引入概率概念。傳感器有自己的控制子系統(tǒng)，可以確定傳感器是否得到了真實(shí)的數(shù)據(jù)，然后將概率使用到多個(gè)傳感器的投票方法中。

爭(zhēng)論方法：還有一種新的方法是讓每個(gè)傳感器“辯論”為什么他們的報(bào)告是合適的。這是一個(gè)比較有趣的概念。相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中。

優(yōu)先到達(dá)法：即優(yōu)先報(bào)告結(jié)果的傳感器獲勝。出于計(jì)時(shí)的目的，系統(tǒng)不會(huì)等待其他傳感器報(bào)告，從而加快傳感器的融合工作。但是從另一個(gè)角度講，無(wú)法預(yù)測(cè)下一秒鐘其他傳感器是否會(huì)報(bào)告相反的判斷，這存在一定的安全隱患。

最可靠法：在這種方法中，需要跟蹤自動(dòng)駕駛汽車上無(wú)數(shù)傳感器的可靠性。當(dāng)存在各個(gè)傳感器之間的數(shù)據(jù)爭(zhēng)議時(shí)，最可靠的傳感器將“獲勝”。

在設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛汽車時(shí)，可以在傳感器融合子系統(tǒng)中使用以上的幾種方法。當(dāng)子系統(tǒng)確定一種方法可能優(yōu)于另一種方法時(shí)，它們就可以各自發(fā)揮作用。當(dāng)然，MSDF也可以通過(guò)很多其它的本文未提及的方法進(jìn)行。

多個(gè)傳感器之間的差異非常重要

人類的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)是不一樣的。當(dāng)人類聽(tīng)到警報(bào)聲時(shí)，使用耳朵這種感官。耳朵不像眼睛，眼睛不能聽(tīng)聲音。這個(gè)例子可以生動(dòng)地說(shuō)明，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，一定有許多不同類型的傳感器，多傳感器融合MSDF的首要任務(wù)是，要利用不同種傳感器的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)最小化或弱化每種傳感器的弱點(diǎn)。

上圖中，每一種傳感器的一個(gè)重要特征都是它能夠探測(cè)到目標(biāo)的距離。傳感器能夠探測(cè)到的距離越遠(yuǎn)，人工智能駕駛?cè)蝿?wù)的提前時(shí)間和優(yōu)勢(shì)就越大。但是，一些研究結(jié)果標(biāo)明，較遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)可能缺乏特征或者缺乏可信度。隨著技術(shù)的日新月異，需要根據(jù)所涉及的距離確定傳感器融合的優(yōu)缺點(diǎn)。以下是一些常用傳感器的探測(cè)數(shù)據(jù)（隨著技術(shù)的進(jìn)步，以下數(shù)據(jù)可能隨時(shí)更新）：

Main Forward Camera： 150 m （about 492 feet） typically， condition dependent

Wide Forward Camera： 60 m （about 197 feet） typically， condition dependent

Narrow Forward Camera： 250 m （about 820 feet） typically， conditions dependent

Forward Looking Side Camera： 80 m （about 262 feet） typically， condition dependent

Rear View Camera： 50 m （about 164 feet） typically， condition dependent

Rearward Looking Side Camera： 100 m （about 328 feet） typically， condition dependent

Radar： 160 m （about 524 feet） typically， conditions dependent

Ultrasonic： 8 m （about 26 feet） typically， condition dependent

LIDAR： 200 m （about 656 feet） typically， condition dependent

有專家稱，在比較各種類型的傳感器時(shí)，業(yè)內(nèi)有許多圖表試圖描述這些傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。專家建議不要盲目相信的這些對(duì)比圖表。因?yàn)橛糜诒容^傳感器的標(biāo)準(zhǔn)非常多，但是一些常見(jiàn)圖表僅僅提取幾個(gè)典型特征進(jìn)行對(duì)比，缺乏可信度。如下圖（僅供參考）：

筆者觀點(diǎn)：在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，傳感器是一個(gè)非常博眼球的字眼。但是，一旦涉及具體技術(shù)和魯棒性，目前并沒(méi)有太多的企業(yè)或技術(shù)型公司給出一份值得信服的答卷。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，自動(dòng)駕駛汽車的未來(lái)是保障人的安全，而保障人的安全都依賴于多傳感器融合MSDF。人類每時(shí)每刻都在做著“多傳感器融合”的工作，想要將自動(dòng)駕駛汽車的多傳感器融合做到像人類一樣盡善盡美，還有很多復(fù)雜的工作要做。