LaserNet:基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的激光網(wǎng)絡(luò)自動駕駛?cè)S目標(biāo)檢測

本文介紹了一種基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的激光網(wǎng)絡(luò)自動駕駛三維目標(biāo)檢測方法——LaserNet。高效的處理結(jié)果來自于在傳感器的自然距離視圖中處理激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。在激光雷達(dá)視場范圍內(nèi)的操作有許多挑戰(zhàn)，不僅包括遮擋和尺度變化，還有基于傳感器如何捕獲數(shù)據(jù)來提供全流程信息。

本文介紹的方法是使用一個(gè)全卷積網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測每個(gè)點(diǎn)在三維物體上的多模態(tài)分布，然后有效地融合這些多模態(tài)分布來生成對每個(gè)對象的預(yù)測。實(shí)驗(yàn)表明，把每個(gè)檢測建?？醋饕粋€(gè)分布，能獲得更好的整體檢測性能?；鶞?zhǔn)測試結(jié)果表明，相比其他的檢測方法，本方法的運(yùn)行時(shí)間更少；在訓(xùn)練大量數(shù)據(jù)來克服視場范圍目標(biāo)檢測問題上，本方法獲得最佳性能。

LaserNet通過以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)三維檢測：

使用傳感器的固有范圍視場來構(gòu)建一個(gè)密集的輸入圖像；

圖像通過全卷積網(wǎng)絡(luò)生成一組預(yù)測；

對于圖像中的每個(gè)激光雷達(dá)點(diǎn)，預(yù)測一個(gè)類概率，并在俯視圖中對邊界框架進(jìn)行概率分布回歸；

每個(gè)激光雷達(dá)點(diǎn)分布通過均值漂移聚類進(jìn)行組合，以降低單個(gè)預(yù)測中的噪聲；

檢測器進(jìn)行端到端訓(xùn)練，在邊界框架上定義損失；

用一種新的自適應(yīng)非最大抑制（NMS）算法來消除重疊的邊框分布。

上圖為深層聚合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。列表示不同的分辨率級別，行表示聚合階段。

上圖為特征提取模塊（左）和特征聚合模塊（右）。虛線表示對特征圖進(jìn)行了卷積。

上圖為自適應(yīng)NMS。在兩輛車并排放置的情況下，左邊的虛線描述了產(chǎn)生的一組可能的預(yù)測。為了確定邊界框是否封裝了唯一的對象，使用預(yù)測的方差（如中間所示）來估計(jì)最壞情況下的重疊（如右圖所示）。在本例中，由于實(shí)際重疊小于估計(jì)的最壞情況重疊，因此將保留這兩個(gè)邊界框。

上圖為在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集上的邊界框上的預(yù)測分布的校準(zhǔn)的圖。結(jié)果表明，該模型不能學(xué)習(xí)KITTI上的概率分布，而能夠?qū)W習(xí)較大的ATG4D上的分布。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】

上表顯示了與其他最先進(jìn)的方法相比，LaserNet在驗(yàn)證集上的結(jié)果。像KITTI基準(zhǔn)一樣，我們計(jì)算了汽車0．7 IoU和自行車及行人0：5 IoU的平均精度（AP）。在這個(gè)數(shù)據(jù)集上，LaserNet在0－70米范圍內(nèi)表現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)有的最先進(jìn)的方法。此外，LaserNet在所有距離上都優(yōu)于LiDAR－only方法，只有在附加圖像數(shù)據(jù)提供最大價(jià)值的長距離上，車輛和自行車上的LiDAR－RGB方法優(yōu)于LaserNet。

對ATG4D數(shù)據(jù)集進(jìn)行消融研究，結(jié)果如上表所示。

預(yù)測概率分布。預(yù)測概率分布最大的改進(jìn)是預(yù)測邊界框架的分布。當(dāng)僅預(yù)測平均邊界框時(shí)，公式（6）為簡單平均，公式（9）為框角損失。此外，邊界框的得分在本例中是類概率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，性能上的損失是由于概率與邊界框架的準(zhǔn)確性沒有很好地相關(guān)性導(dǎo)致的。

圖像形成：Velodyne 64E激光雷達(dá)中的激光器并不是均勻間隔的。通過使用激光id將點(diǎn)映射到行，并在傳感器捕獲數(shù)據(jù)時(shí)直接處理數(shù)據(jù)，可以獲得性能上的提高。

均值漂移聚類：每個(gè)點(diǎn)獨(dú)立地預(yù)測邊界框的分布，通過均值漂移聚類將獨(dú)立的預(yù)測組合起來實(shí)現(xiàn)降噪。

非極大值抑制：當(dāng)激光雷達(dá)的點(diǎn)稀疏時(shí)，有多個(gè)邊界框的配置可以解釋觀測到的數(shù)據(jù)。通過預(yù)測各點(diǎn)的多模態(tài)分布，進(jìn)一步提高了該方法的查全率。在生成多模態(tài)分布時(shí)，使用具有嚴(yán)格閾值的NMS是不合適的。或者，我們可以使用軟NMS來重新評估置信度，但是這打破了對置信度的概率解釋。通過自適應(yīng)NMS算法，保持了概率解釋，并獲得了更好的性能。

對于自動駕駛而言，運(yùn)行時(shí)性能同樣重要。上表比較了LaserNet（在NVIDIA 1080Ti GPU上測量）和KITTI上現(xiàn)有方法的運(yùn)行時(shí)的性能。Forward Pass是指運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)所花費(fèi)的時(shí)間，除Forward Pass外，總時(shí)間還包括預(yù)處理和后處理。由于在一個(gè)小的密集的范圍視場內(nèi)處理，LaserNet比目前最先進(jìn)的方法快兩倍。

使用訓(xùn)練集中的5，985個(gè)掃描點(diǎn)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，并保留其余的掃描以進(jìn)行驗(yàn)證。使用與之前相同的學(xué)習(xí)時(shí)間表對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行5萬次迭代訓(xùn)練，并在單個(gè)GPU上使用12個(gè)批處理。為了避免在這個(gè)小的訓(xùn)練集上過度擬合，采用數(shù)據(jù)增強(qiáng)手段隨機(jī)翻轉(zhuǎn)范圍圖像，并在水平維度上隨機(jī)像素移動。在這樣一個(gè)小的數(shù)據(jù)集中，學(xué)習(xí)邊界框上的概率分布，特別是多模態(tài)分布是非常困難的。因此，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)只檢測車輛并預(yù)測邊界框上的單峰概率分布。如上表所示，我們的方法在這個(gè)小數(shù)據(jù)集上的性能比當(dāng)前最先進(jìn)的鳥瞰圖檢測器差。