目標(biāo)物體識(shí)別算法：物體識(shí)別算法的一般路徑

導(dǎo)語：智能駕駛的決策執(zhí)行依賴于對(duì)目標(biāo)物體識(shí)別的精準(zhǔn)判斷，因而目標(biāo)物體識(shí)別功能也是最早開始研發(fā)的部分。精度、響應(yīng)度提升是現(xiàn)階段技術(shù)關(guān)鍵。

物體識(shí)別分類對(duì)于速度和精度要求極高。一方面，物體的識(shí)別和分類是實(shí)時(shí)的，且結(jié)果的置信度要足夠高。由于無人駕駛需要實(shí)時(shí)做出駕駛決策，而物體識(shí)別僅僅是其中一環(huán)，在做出判斷前，需要給算法處理、決策效應(yīng)到執(zhí)行器留有足夠時(shí)間，因此留給物體分類和識(shí)別器的時(shí)間很短，實(shí)時(shí)性要求非常高。

另一方面，汽車駕駛關(guān)系到乘客的生命安全，在此情況下，物體識(shí)別必須將誤報(bào)、錯(cuò)判的概率和可能性降低到極低范圍。一旦發(fā)生誤判，系統(tǒng)執(zhí)行錯(cuò)誤的指令，則結(jié)果將是致命的。

目標(biāo)物體識(shí)別難點(diǎn)

?目標(biāo)物體差異化。

無人駕駛需要依賴算法來識(shí)別道路上的各種差異化目標(biāo)。道路情況十分復(fù)雜，面對(duì)的物體多種多樣。即使同一類物體，也存在外形、尺寸差異。同時(shí)，路面上的物體也可能以組合形式出現(xiàn)。以行人為例，行人有不同的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)差異，靜態(tài)包括行人的外形、服裝、高矮胖瘦、體貌特征差異；動(dòng)態(tài)差異指行人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可能奔跑、行走或者靜止。這就要求識(shí)別算法擁有極高的辨識(shí)度，能夠區(qū)分路面上各個(gè)不同的物體，精準(zhǔn)判斷。

?環(huán)境和路況差異化。

實(shí)際道路行駛中，會(huì)碰到不同環(huán)境和路況，這就要求識(shí)別算法普適所有工況。例如：極端的天氣情況(大雨、大雪、閃電、霧霾等)、不同的光照、不同的路況。

?在動(dòng)態(tài)場景中進(jìn)行識(shí)別。

在實(shí)際道路行駛中周圍的場景都是運(yùn)動(dòng)的物體，從不同的視角看過去，不同的物體的坐標(biāo)變化模式、姿態(tài)變化模式都會(huì)不同，識(shí)別難度進(jìn)一步增加。

物體識(shí)別算法的一般路徑

物體識(shí)別算法通常分為六個(gè)步驟：

前處理→前景分離→物體分類→結(jié)果改進(jìn)→物體追蹤→應(yīng)用層面處理

前五個(gè)部分是算法的核心，第六部分則通常指后續(xù)的物體行為預(yù)測、路徑規(guī)劃、導(dǎo)航和防碰撞算法等。

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——前處理

此部分為最底層的機(jī)器視覺算法，通常包含攝像頭曝光、增益控制、攝像頭標(biāo)定校準(zhǔn)等步驟。由于路況復(fù)雜多變而實(shí)時(shí)性要求很高(例如當(dāng)車輛快速駛?cè)腭傠x隧道時(shí)，周圍的光照變化劇烈，需要迅速做出調(diào)整)，無人駕駛中對(duì)前處理算法的要求極高。

前處理算法需要保證輸入到后續(xù)步驟的圖像質(zhì)量。圖像質(zhì)量會(huì)直接影響后續(xù)分類算法性能。盡管傳統(tǒng)的機(jī)器視覺增強(qiáng)算法能夠部分解決這一問題，但是使用高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)的視覺傳感器和配套算法將是未來的主要趨勢。高動(dòng)態(tài)范圍傳感器可以通過多次曝光運(yùn)算增強(qiáng)圖片對(duì)比度， “照亮” 場景。汽車上使用的 HDR 攝像頭通常還會(huì)將近紅外夜視波段也涵蓋進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)夜視功能。

傳感器自身的在線標(biāo)定也在這一部分完成。由于傳感器始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，因此實(shí)時(shí)確認(rèn)傳感器自身的姿態(tài)尤為重要。單目攝像頭往往通過跟蹤不同圖像幀之間的差別來確認(rèn)自身姿態(tài)，而雙目攝像頭則使用額外的景深信息來實(shí)現(xiàn)這一功能。前者的可靠性較差，而后者則需要更多的計(jì)算資源。

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——前景切分

前景切分的目的是盡可能過濾與待識(shí)別物體無關(guān)的背景信息(例如天空)，并且將圖像切分為適宜大小。一個(gè)好的前景切分算法可能將原先的 200k- 1000k 個(gè)待識(shí)別區(qū)域縮小到 20k-40k，大大減輕后續(xù)處理負(fù)擔(dān)。主流算法有基于仿生原理的注意力算法等，但是這些算法往往需要依賴于預(yù)先收集的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)規(guī)定了不同場景下的可能的背景區(qū)間信息。另外，額外的傳感器輸入(包括定位系統(tǒng)、雙目攝像頭或雷達(dá)提供的景深信息等)可以進(jìn)一步加快前景切分。

一旦有了這些額外的信息，前景切分算法對(duì)圖像區(qū)域是否處于前景(待識(shí)別)的判斷確信度會(huì)大幅提升，大量背景區(qū)間將會(huì)被去除，大幅減少輸入到物體識(shí)別器中的待識(shí)別區(qū)域，提高識(shí)別的速度和準(zhǔn)確性。

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——物體識(shí)別

將上一步驟生成的大量待識(shí)別區(qū)間歸類為數(shù)百種已知的可能在道路上出現(xiàn)的物體，并且盡量減少誤判?；旧纤械奈矬w識(shí)別算法都是以二維圖像作為輸入的。這種輸入分為兩種，一種是將待識(shí)別區(qū)域圖像中的邊緣提取出來，將邊緣信息輸入分類器(可以輔以激光雷達(dá)以獲得更高精度)；另一種則是直接將圖像的外觀輸入到分類器(通過攝像頭實(shí)現(xiàn))。前者在性能上基本已經(jīng)到了極限，而后者則是目前研發(fā)的主要方向。

具體到算法，主流的特征提取方法包括梯度方向直方圖法(HOG)和形狀上下文描述符法(SCT)，提取特征后進(jìn)入分類程序。主流的 AI 分類學(xué)習(xí)算法包括支持向量機(jī)(SVM)、迭代分類算法(AdaBoost)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)。

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——驗(yàn)證與結(jié)果改進(jìn)

這一步驟使用與分類方法不同的判據(jù)來驗(yàn)證分類的結(jié)果可靠性，并提取被歸類為特定物體的待識(shí)別區(qū)間中更加詳細(xì)的信息(例如交通標(biāo)志)。由于雷達(dá)、激光雷達(dá)等非視覺傳感器往往能夠滿足“冗余傳感信息來源”這一要求，因此在實(shí)際算法中，這一部分也將應(yīng)用大量的傳感器融合。

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——物體跟蹤

這一步驟的目的有二。除了為應(yīng)用層提供物體軌跡外，還能為前景切分、物體分類提供輸入(告訴前景切分之前這個(gè)地方出現(xiàn)過什么)。目前最為常用的算法是卡爾曼濾波算法(用來跟蹤、預(yù)測物體軌跡，根據(jù)過去空間位置預(yù)測未來位置)。在物體跟蹤環(huán)節(jié)同樣涉及較多的傳感器融合算法，通過視覺數(shù)據(jù)預(yù)測軌跡，同時(shí)同雷達(dá)的物體跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合。

精度和響應(yīng)速度之間的最優(yōu)選擇

精度是視覺算法的核心，近年來視覺識(shí)別算法精度不斷提高。視覺識(shí)別算法的精度由誤檢率和漏檢率共同決定。物體識(shí)別本身的復(fù)雜性決定了這一功能必須以視覺為核心。

縱觀過去十多年，視覺物體識(shí)別的精度有了長足的發(fā)展。以美國加州理工學(xué)院進(jìn)行的一項(xiàng)行人識(shí)別的算法調(diào)查為例，當(dāng)誤判率為每張圖 0.1 個(gè)行人時(shí)，純視覺算法的漏檢率已由 2004 年最早的 95%降低到了最近幾年的 50%附近。

因此我們有理由相信在無人駕駛真正商用時(shí)，即使是純視覺算法也能達(dá)到很高的物體識(shí)別精確度，而若加以傳感器融合(在相同誤判率下約能降低 10%的漏檢率)和強(qiáng)大的車聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，無人駕駛階段的精度要求將得以滿足。

視覺識(shí)別算法精度提升途徑

?視覺算法本身的優(yōu)化。在前處理和前景分離階段提取明確目標(biāo)值，分類和學(xué)習(xí)系統(tǒng)的算法不斷優(yōu)化。這需要技術(shù)研發(fā)的不斷投入，產(chǎn)生極高的進(jìn)入壁壘，目前國內(nèi)從事視覺算法研究的公司只有少數(shù)幾家，因而也構(gòu)成了標(biāo)的稀缺性。

?通過傳感融合算法冗余信息判斷，提高精度。視覺識(shí)別以攝像頭數(shù)據(jù)為主，同時(shí)輔以雷達(dá)、激光雷達(dá)的邊界、距離信息。數(shù)據(jù)顯示，在相同誤判率下雷達(dá)的決策輔助能降低約 10%的漏檢率。

?利用車聯(lián)網(wǎng)、地圖數(shù)據(jù)的輔助決策。無人駕駛的商用與車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用密不可分，通過 V2X 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)助車輛判斷物體信息，同時(shí)通過 GPS 高精度定位和地圖數(shù)據(jù)相結(jié)合，輔助物體的分類識(shí)別。

另外一個(gè)值得關(guān)注的問題是各種算法的處理速度。為了保證在高速行駛狀態(tài)下的可靠性，物體識(shí)別的圖像輸入速率往往達(dá)到了 60~90fps (比一般攝像頭幀數(shù)高 3-4 倍)。即使前景分離步驟每張圖僅產(chǎn)生 20,000 個(gè)待識(shí)別區(qū)域，流入硬件的待識(shí)別區(qū)間也達(dá)到了每秒1200,000 個(gè)。目前算法在一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)下運(yùn)行速度如下圖所示。

面對(duì)如此大的計(jì)算量，通常情況會(huì)有如下幾種解決方法：

第一， 算法上做出妥協(xié)。不使用過于復(fù)雜的算法，這意味著精度上要做出妥協(xié)。

第二， 優(yōu)化算法架構(gòu)，在算法上取得突破，分類器的性能往往是主流算法瓶頸，通過加強(qiáng)在前處理和前景分離過程中的數(shù)據(jù)篩選能力減少傳輸給分類環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)量。

第三， 更加強(qiáng)大的運(yùn)算芯片。

第四， 定制專門的計(jì)算單元來處理物體識(shí)別計(jì)算，這需要較高的研發(fā)投入。CPU 用來處理日常的運(yùn)算、排序、組合，GPU用來處理圖像、著色、點(diǎn)距等信息，DSP 應(yīng)用于處理時(shí)間序列信號(hào)。三者結(jié)合的定制芯片更為實(shí)用。

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