自动驾驶深度感知技术对车和行人的检测

来源：小马智行第二场技术沙龙

今天我主要想分享自动驾驶感知技术在探索的过程中，采用的传统方法和深度学习方法。传统方法不代表多传统，深度学习也不代表多深度。它们有各自的优点，也都能解决各自的问题，最终希望将其结合起来，发挥所有方法的优点。

一、感知系统简介

首先介绍下感知系统。感知可以被看作是对周围世界建模的过程，比如车辆在行驶过程中，需要知道其他物体的地理位置、速度、运动方向、加速度等各种各样的信息，自动驾驶系统接收这些信息之后，再通过后续的规划和控制模块来对车的运动做真正的调节。

感知可以类比为人类眼睛的功能，即观察周围世界的能力：

◆ 采用的传感器：激光雷达、照相机、毫米波雷达等。

◆ 帧信号处理：多传感器深度融合、物体分割、物体检测、物体分类。

◆ 物体追踪：当有多帧信息之后，可以推算速度、加速度、方向等更有意义的信息，甚至可以用多帧的信息调整物体分割的结果。

◆ 道路特征分析：对道路特征进行理解，比如交通信号灯、交通指示牌等。

感知可以认为是自动驾驶系统的基础部分，假如感知不到这个世界，就谈不上对这个世界做出反应，更谈不上后续的路径规划和车辆控制的过程。

二、2D物体检测

我今天主要介绍关于物体检测部分，因为必须先有了准确的物体检测和分割结果，我们才能对物体做出准确的分类、追踪等。我首先介绍下2D物体检测。

2D物体检测是指以2D信息作为输入（input）的检测过程，而典型的2D输入信息来自于照相机。

传统2D物体检测方法及缺点

传统的 2D 信息检测方法是使用检测框遍历图片，把对应的图片位置抠出来之后，进行特征提取，用 Harris计算子检测角点信息，Canny计算子检测边缘信息等。物体特征被提取并聚集在一起后，通过做分类器（比如SVM），我们可以判断提取的图中是否存在物体，以及物体的类别是什么。

但传统 2D 物体检测方法存在不足：

1.检测物体时，需要预置检测框，对不同物体需要设置不同的检测框。

2.自动驾驶需要高级的组合特征，而传统方法提取的特征维度比较低，对后续的分类会造成比较大的影响。

基于深度学习的2D物体检测

卷积神经网络的出现，解决了部分传统2D物体检测方法的不足。

卷积神经网络首先是多层感知机加卷积操作的结合，它的特征提取能力非常不错。因为卷积神经网络经常会有几十、上百个卷积，使其具备高维特征提取能力。

其次，通过 ROI pooling和RPN，整张图可以共享同样的特征，物体检测时不用遍历整张图片，还可以在单次操作中对图片中所有物体进行检测。这种检测方法使物体检测模型真正具备了应用于实际场景中的性能。

目前基于卷积神经网络的2D物体检测有两类分支：

◆ Anchor Based Methods

：跟传统方法比较类似，先预置检测框，检测过程则是对预设框的拟合过程。

1.RCNN（fast，faster）

2.SSD（DSSD）

3.YOLO（v1，v2，v3）

4.RetinaNET

◆ Anchor Free Methods

：直接对照特征金字塔的每个位置，回归对应位置上，判断物体是否存在、它的大小是多少等。这类方法是2018年底开始大量出现的，也是未来的一个发展方向。

1.CornerNet

2.FSAF

3.FCOS

这是路测场景中的一个真实检测案例（上图），2D 物体检测已经应用于检测路面上一些小物体。

同时远距离物体检测也是2D物体检测中关注的重点。受限于激光雷达和毫米波雷达的物理特征，远距离物体缺乏良好的检测效果，而照相机在这方面比较有优势，可以和其他的检测方法进行互补。

2D物体检测面临的问题

一、物体相互遮挡

但是采用照相机做 2D 物体检测不可避免要面临一些问题。因为照相机回馈的图像只有两个维度，当两个物体堆叠时，对一个神经网络而言，图像的特征就比较聚集。

一般做物体检测的过程，会用一些非极大值抑制的方法，对检测结果进行后处理，当特征结果非常密集的时候，这种方法往往会受到影响。

二、成像质量波动

照相机是可见光设备，因此会受到光照强度的影响，成像质量出现波动。但我们总是希望图中的特征不管是在哪个位置，都能得到足够的表达。

例如，2D图像中远处的车灯和路灯很难区分开，导致可能都被检测为车或者路灯。在这种情况下，特征总会难以区分。

三、测距

另一个的问题就是测距问题。因为照相机是被动光源的设备，它不具备主动测距的能力。

如果希望借助照相机进行物体测距，就需要做很多的假设或者求解一些病态的数学问题，用以估算车与物体的距离。但这个结果通常不如主动测距设备的结果，比如激光雷达和毫米波雷达。

三、3D物体检测

正是因为照相机存在上面提到的问题，所以我们物体检测也使用了其他的传感器，将它们的结果共同结合起来，最终达到更可靠的检测效果。

什么是3D物体检测？

3D物体检测，顾名思义就是把3D的一些数据坐标，聚集起来进行物体检测。比如激光雷达，类似于我们拿一支激光笔不断扫描周围，它会提供相对明显的信息。当把3D数据聚集起来之后，我们可以用来推测周围物体的位置，大小，朝向等等。

3D物体检测一个很大的好处就是，我们在2D物体检测中很难区分的物体，有了3D数据提供的距离信息之后，将更容易从距离的维度上分开。这样感知系统在进行物体分割的时候能使用的信息更多，达到一个更好的工作效果。

传统3D分割方法及限制

传统的 3D 分割方法包括：

1.Flood Fill

2.DB scan

3.Graph Cut

它主要是利用一些点的距离信息、密度信息或者点的一些天然属性，比如它的强度，把物体聚类分割。

传统分割方法也存在不少限制，首先是过度分割。

比如上图中的异形车，由于车尾和车头之间有缝隙，在 3D 检测中，它可能会被分割成多个物体，因为点和点之间有间隙，在激光雷达检测时呈现的是离散信息，就会出现过度分割。

传统分割方法的另一个问题是分割不足。

我们将上图出现的情况称为“三人成车”，就是当三个人离的很近的时候，有可能被传统分割方法识别成一辆车。

基于深度学习的3D分割方法

当深度学习与卷积神经网络引入到 3D 物体检测中时，我们发现传统3D分割方法遇到的问题得到较好解决。

首先让点云信息进行特征工程，即将点的位置、反射强度、高级特征聚合在一起，组织成类似图片或者图的关系。随后进行卷积神经网络特征提取，再进行多帧特征的聚合（它的意义是对运动的物体有一个更好的反映），最后输出物体的位置、聚类信息、物体速度。

通过上述深度学习方法，“三人成车”的情况得到避免。系统不仅可以提取人的距离关系，还可以提取到更多的高级信息，比如在点云变化中，人类的点云形似长的柱体，而自行车类似于小山一样的点云分布，这样感知系统可以了解这些障碍物不属于同一物体，而将其割离开。

深度学习3D分割方法的限制

另一方面，我们也要认识到深度学习分割方法也可能面对的挑战。

◆ 结果的不完全可控：首先卷积神经网络经常有几百层的卷积层，参数总量可能有百万级，并且是自动学习的，这可能会导致对网络的输出缺少把控。换句话说，系统无法预期数据输入（input）后会得到怎样的数据输出，于自动驾驶而言，这是比较致命的。因为自动驾驶对场景的召回率和精度有非常高要求，如果车辆在行驶中，前面的一位行人miss（丢失），这是极其严重的隐患。

◆ 无法保证100%的召回（recall）：如上图所示，垃圾桶和行人的特征其实非常相似，那么深度学习可能会出现把人学成了垃圾桶，最后导致行人在感知系统中出现丢失的情况。

◆ 易导致过拟合：由于卷积神经网络有非常好的特征提取能力，固定的数据集训练可能导致神经网络过拟合。例如同样的数据集训练后，在北京路测的表现很好，但是当到达一个新的城市进行测试时，因为路面特征和北京有所区别，可能导致物体分割效果下降，这对感知系统非常不友好。

优点兼得：传统方法和深度学习方法的结合

为了解决分割方法的限制，我们的想法是将传统方法和深度学习方法的结果进行结合：

◆ 使用深度学习的分割结果调整传统分割方法的结果。

◆ 使用传统分割方法的结果补足深度学习结果的召回。

◆ 基于多帧追踪的概率模型融合：比如利用马尔可夫分布的特点、贝叶斯的方法对多帧数据进行一定的平滑，以得到更好的效果。

通过传统方法和深度学习方法的相互结合与补充，我们最终可以实现优点兼具的物体检测策略。

做自动驾驶真的是一个很崎岖的旅程，不断的解决问题之后又出现新的问题，不过正是因为过程的艰难，才带来更多的快乐。