端到端自動駕駛到底是什么？

CVPR 2023 落下帷幕，Best Paper 之一花落上海人工智能實(shí)驗(yàn)室 OpenDriveLab 團(tuán)隊(duì)和武漢大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的工作 UniAD。

UniAD 獲得了多個(gè)首次：

CVPR 首次將最佳論文授予純自動駕駛領(lǐng)域。

自動駕駛界首個(gè)開源具備全棧關(guān)鍵任務(wù)的端到端自動駕駛模型，統(tǒng)一了多個(gè)自動駕駛子任務(wù)。

十年來首次中國本土團(tuán)隊(duì)獲得 CVPR Best Paper。

UniAD 統(tǒng)一自動駕駛關(guān)鍵任務(wù)，但是端到端的訓(xùn)練難度極大，對數(shù)據(jù)的要求和工程能力的要求比常規(guī)的技術(shù)棧要高，但是由此帶來的全局一致性讓整個(gè)系統(tǒng)變得更加簡潔，也能夠防止某個(gè)模塊進(jìn)入局部最優(yōu)，而不是全局最優(yōu)。

雖然整體稱為端到端，但是各個(gè)模塊直接確實(shí)有著明顯的界限和區(qū)隔，并非一個(gè)整體黑盒網(wǎng)絡(luò)。

各個(gè)模塊間有了相當(dāng)?shù)目山忉屝?，也有利于?xùn)練和 Debug，為自動駕駛端到端的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很好的范本，也期待在工業(yè)界的應(yīng)用。

在正式討論這篇論文前，其實(shí)有一個(gè)問題，端到端自動駕駛到底是什么？

01

端到端自動駕駛到底是什么？

經(jīng)典的自動駕駛系統(tǒng)有著相對統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)：

探測（detection）

跟蹤（tracking）

靜態(tài)環(huán)境建圖（mapping）

高精地圖定位

目標(biāo)物軌跡預(yù)測

本車軌跡規(guī)劃

運(yùn)動控制

幾乎所有的自動駕駛系統(tǒng)都離不開這些子系統(tǒng)，在常規(guī)的技術(shù)開發(fā)中，這些模塊分別由不同的團(tuán)隊(duì)分擔(dān)，各自負(fù)責(zé)自己模塊的結(jié)果輸出。

這樣的好處是，每一個(gè)子系統(tǒng)都能夠有足夠好的可解釋性，在開發(fā)時(shí)能夠獨(dú)立優(yōu)化。

與此同時(shí)，為了保證整體自動駕駛的性能，每一個(gè)模塊都需要保證給出穩(wěn)定的表現(xiàn)。

所以事實(shí)上在一個(gè) Bug 出現(xiàn)時(shí)，需要巨大的 Triage 團(tuán)隊(duì)對 Bug 進(jìn)行分析，然后將具體的 Bug 來源分配給責(zé)任團(tuán)隊(duì)。

據(jù)說在 Waymo，甚至有超過 200 人的團(tuán)隊(duì)，對 Bug 進(jìn)行分析和責(zé)任分配。

那找 Bug 來源和 Bug 優(yōu)化的任務(wù)就不能自動化嗎？

當(dāng)然可以， 如果我們能將各個(gè)模塊用可微分的方式連接起來。類似于傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)，出現(xiàn)誤差時(shí)，深度自動回傳進(jìn)行權(quán)重更新。

某種程度上，這就是端到端自動駕駛的概念。

02

理想化的端到端自動駕駛

事實(shí)上，從自動駕駛開始發(fā)展，就一直伴隨一個(gè)看似幼稚但是非常復(fù)雜的疑問：

為什么我們不能開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)，輸入時(shí)是傳感器信號（攝像頭，激光雷達(dá)），輸出是控制指令（轉(zhuǎn)向，剎車，加速）？

這個(gè)問題，實(shí)際上，業(yè)界也一直有人在探討，甚至于國內(nèi) 2018 年還有一家公司給出了這樣計(jì)劃：

其方案

輸入為視覺信號，輸出為 Steering，Brake，Accelerate，而真值為真實(shí)人類司機(jī)的上述動作。

輸入輸出都有了，真值數(shù)據(jù)也有了，接下來就是塞進(jìn)看不太懂的膠囊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行全局優(yōu)化訓(xùn)練，最后就能給出結(jié)果。

這個(gè)方案好在沒有吸引到什么大手筆投資，很快就銷聲匿跡了。

不過這兩天，大模型出來之后，我甚至也看到了一模一樣的計(jì)劃，只不過網(wǎng)絡(luò)換成了大模型。

03

為什么完全端到端目前不可行？

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的黑盒效應(yīng)讓完全端到端自動駕駛無法找到正確優(yōu)化方向。

本質(zhì)上又回到了最初的問題，模塊解耦讓多模塊單獨(dú)優(yōu)化成為可能，讓每一個(gè)模塊擁有獨(dú)立的可解釋性。

而如果變成一個(gè)巨大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，這種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是無法保證在正確的道路上持續(xù)優(yōu)化的，因?yàn)闊o法保證對未見過的物體的魯棒性，也無法對某一個(gè)具體的 Bug 進(jìn)行定向改進(jìn)。

可能會有人會問，那語言大模型表現(xiàn)可以遷移嗎？

泛化性的遷移是可行的， 根據(jù) Google 的研究結(jié)果，他們基于語言大模型的抓取機(jī)器人，已經(jīng)可以做到對沒有見過的物體有直接的泛化能力，例如他們要求從未見過烏龜?shù)臋C(jī)器人抓取一只烏龜，任務(wù)能夠被很好地完成。

因?yàn)楹芎玫厥褂昧舜笳Z言模型的泛化能力，但是這件事情在自動駕駛上，尚未得到驗(yàn)證。

但是如何對一個(gè)具體的 Bug 進(jìn)行改進(jìn)？

假設(shè)出現(xiàn)了一次誤剎，經(jīng)典的自動駕駛技術(shù)棧會分析：

剎車指令的來源，是前方動態(tài)障礙物，還是靜態(tài)物體？

或者是規(guī)劃模塊的速度規(guī)劃出現(xiàn)問題？

或者是控制模塊在輸出正確的情況下，控制指令出現(xiàn)了問題？

根據(jù)這些然后再進(jìn)行定向優(yōu)化。

但是，完全端到端，就失去了這種定向優(yōu)化的能力，甚至都無法知道，具體應(yīng)該提供哪種數(shù)據(jù)進(jìn)行定向優(yōu)化。

而理想在上周提到的紅綠燈意圖網(wǎng)絡(luò)（TIN）也同樣是一個(gè)視覺輸入到轉(zhuǎn)向意圖的整體設(shè)計(jì)創(chuàng)新，令人印象深刻。

但是對于具體如何應(yīng)用到量產(chǎn)中我其實(shí)并不樂觀，一個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)硬件部署難度和實(shí)際效用的收益比尚且不論，而優(yōu)化過程是一個(gè)更加大的命題。

如果答案是加上所有的量產(chǎn)數(shù)據(jù)，顯然不能說服工程界，期待之后有更加深入的介紹。

當(dāng)然，Elon Musk 在上個(gè)月的 Twitter 中，畫了一個(gè)巨大的視覺到控制指令的餅，但是我也絕不認(rèn)為他們正在研究的模型內(nèi)部是一個(gè)完全黑盒的網(wǎng)絡(luò)。

04

工程派的端到端自動駕駛 UniAD

整體自動優(yōu)化，可解釋性我統(tǒng)統(tǒng)都要

為了解決整體優(yōu)化問題，UniAD 使用了一個(gè)巨大的 Transformer 網(wǎng)絡(luò)，但是為了保證每個(gè)模塊有足夠的可解釋性并能夠被獨(dú)立優(yōu)化，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)被分割成多個(gè)共享 BEV 特征的 Transformer 網(wǎng)絡(luò)。

首次將跟蹤、建圖、軌跡預(yù)測、占據(jù)柵格預(yù)測統(tǒng)一到一起，并且使用不依賴高精地圖的 Planner 作為一個(gè)最終的目標(biāo)輸出，同時(shí)使用 Plan 結(jié)果作為整體訓(xùn)練的 loss 來源。

也就是說，UniAD 并沒有完全拋棄原有的自動駕駛技術(shù)棧，而是改變了子模塊連接的方式，傳統(tǒng)可能是靠規(guī)則和顯式連接，例如先從檢測網(wǎng)絡(luò)拿到目標(biāo)物體的位置和速度，再喂給下一個(gè)模塊。

這種規(guī)則和顯式連接的方式無法完成梯度傳播（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自我迭代方式），只能靠人工優(yōu)化。

但是 UniAD 共享了 BEV 特征，將子模塊用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式連接起來。這樣就保證了整體網(wǎng)絡(luò)的一致性，能夠完成梯度的前向傳播，也就有了自動優(yōu)化的能力。

整體流程

從流程上看，首先將環(huán)視的圖片以 Transformer 映射到 BEV 空間供后續(xù)模塊使用。

TrackFormer 根據(jù) BEV 信息進(jìn)行推理，融合了檢測和跟蹤任務(wù)，輸出為目標(biāo)檢測和跟蹤的信息；

MapFormer 根據(jù) BEV 信息給出實(shí)時(shí)地圖構(gòu)建結(jié)果；

之后 Motion Former 將 TrackerFormer 的結(jié)果和 MapFormer 的結(jié)果和 BEV 結(jié)果進(jìn)行融合，最后得出周圍物體整體軌跡和預(yù)測。

這些信息會作為 OccFormer 的輸入，再次與 BEV 特征融合作為占據(jù)柵格網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的輸入。Planner 的目標(biāo)是防止本車與占據(jù)柵格碰撞，作為整個(gè)大模塊的最終輸出。

前景

面對一個(gè)巨大的，并且分模塊的任務(wù)，訓(xùn)練過程一定是非常不穩(wěn)定的。

文章中提到，根據(jù)他們的經(jīng)驗(yàn)，他們會先訓(xùn)練 6 次 Percecption（Track 和 Map ）部分，再訓(xùn)練 20 次整體，最后得到比較好的結(jié)果。

這種訓(xùn)練方式也是得益于整體設(shè)計(jì)的相對解耦，感知模塊可以被單獨(dú)訓(xùn)練。能夠在獲得一個(gè)相對已經(jīng)穩(wěn)定的感知結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行后續(xù)模塊的訓(xùn)練，同時(shí)也對感知模塊進(jìn)行優(yōu)化。

這種設(shè)計(jì)為工業(yè)界使用提供了一定的便利，多個(gè)模塊之間的輸出可以被單獨(dú) debug，也能被統(tǒng)一優(yōu)化。

而在工業(yè)界相對比較多的本車 Plan 相關(guān)數(shù)據(jù)也為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練提供了保證。

UniAD 的輸出到了Planning 就截止了，確實(shí)因?yàn)楹竺婵刂频膬?nèi)容就不屬于計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域了，并且其實(shí)控制模塊用 Learning 的方式其實(shí)并沒有的得到承認(rèn) 期待一些公司的部署結(jié)果。

寫在最后

關(guān)于自動駕駛的未來，各個(gè)模塊之間的界限越來越模糊，與此同時(shí)，配套的開發(fā)工具鏈也需要從模塊解耦轉(zhuǎn)換到模塊融合。

有意思的是，恰逢其時(shí)，來自 Waabi 創(chuàng)始人，著名研究學(xué)者 Raquel 的一篇文章 CVPR Highlight UniSim 也非常值得一讀。

使用 NeRF 相關(guān)技術(shù)，統(tǒng)一了場景編輯、Camera 仿真、Lidar 仿真、交通仿真多個(gè)任務(wù)。

這篇文章為高效端到端的仿真訓(xùn)練提供了可能性。

雖然從算法創(chuàng)新的角度看，太陽底下沒有什么新鮮事，UniAD 是 Tranformer 的工程化創(chuàng)新，UniSim 是 NeRF 的工程化創(chuàng)新。

但是自動駕駛本身就是一個(gè)工程問題，工程化和快速迭代的能力會越來越重要。

學(xué)術(shù)界已經(jīng)有了非常明顯的轉(zhuǎn)變，國內(nèi)工業(yè)界某些公司卻似乎還在每天宣傳自家算法的巨大創(chuàng)新。

甚至在這次 Best Paper 發(fā)布之后， 知乎上很多人詬病 UniAD 算法不夠創(chuàng)新。

可是自動駕駛作為一個(gè)巨大的工程問題，為了創(chuàng)新而創(chuàng)新是無法帶來真正量產(chǎn)可用的系統(tǒng)的。

這種反差倒也是一件非常有意思的事情。

編輯：黃飛