自动驾驶中的3D物体状态检测

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摘要

3D物体检测是自动驾驶的一项重要技术，KITTI提供了一种用于训练和评估不同的3D对象检测器的性能的标准化数据集。在这里，我们使用来自KITTI的数据来总结和突出3D对象检测方案中的优劣，这些方案通常可以分为使用LIDAR和使用LIDAR + Image（RGB）。

激光雷达

CNN用于2D对象检测和分类的机器已经成熟。但是，用于自动驾驶的3D对象检测带来至少两个独特的挑战：

• 与RGB图像不同，LIDAR点云是3D的并且是非结构化的。

• 自动驾驶的3D检测必须快速（<〜100ms）。

几个3 d的检测方法已通过离散化LIDAR点云成3D体素网格和解决的第一个问题中应用3D卷积。但是，与2D卷积相比，3D卷积具有更大的计算成本并因此具有更高的延迟。或者，可以在自顶向下的鸟瞰图（BEV）或激光雷达的本机范围视图（RV）中将点云投影到2D图像。优点是可以通过更快的2D卷积有效地处理投影图像，从而降低延迟。

我们从KITTI BEV中选择了一些方法，以突出显示RV，BEV和在体素功能上运行的方法之间的一些优劣。该图显示了检测器延迟（ms）与车辆AP的关系：

检测器（仅LIDAR）延迟与车辆AP

可得到如下结果：

• BEV投影保留了物体的大小和距离，为学习提供了强大的先决条件。

  Z轴被视为2D卷积的特征通道。

  地面高度可用于展平Z轴上的点（例如HDNet），从而减轻由于道路坡度而引起的平移差异的影响。

• 具有学习功能（PointNet）的BEV可以整合Z轴，从而获得强大的性能。

  SECOND通过体素特征编码层和稀疏卷积来实现此目的；

  SECOND（v1.5）的新版本报告了更好的AP（86.6％）和低延迟（40ms）。

  PointPillars在Z轴支柱上应用了简化的PointNet，从而产生了2D BEV图像，该图像被馈送到2D CNN中。

• RV投影会因距离而发生遮挡和物体大小变化。

   在KITTI的7.5k帧序列数据集上， RV检测器（例如LaserNet）的性能落后于BEV检测器。

  但是， LaserNet在1.2M帧ATG4D数据集上的性能与BEV检测器 （例如HDNet）相当。

• RV投影具有低延迟（例如LaserNet），这可能是由于相对于稀疏BEV的RV表示密集。

  VoxelNet率先使用了体素功能，但由于3D卷积而遭受高延迟。

  较新的方法（例如SECOND）可以使用相同的体素特征编码层，但是避免使用稀疏卷积来减少延迟的3D卷积。

激光雷达+RGB

LIDAR + RGB融合改善了3D检测性能，特别是对于LIDAR数据经常稀疏的较小物体（例如行人）或远距离（>50m-70m）而言。下面总结了一些融合方法。基于提议的方法以RGB（例如F-Pointnet）或BEV（例如MV3D）生成对象提议。密集融合方法将LIDAR和RGB特征直接融合到一个普通的投影中，并且通常以各种分辨率进行融合。

LIDAR + RGB融合的一般方法。图像改编自MV3D（Chen等人，2016），F-Pointnet（Qi等人，2017），ContFuse（Liang等人，2018）和LaserNet（Meyer等人，2018）。

该图显示了相对于车辆AP的延迟（ms）：

检测器（带有LIDAR + RGB融合标记）的延迟与车辆AP的关系

得到如下结果：

• RV密集融合具有所有方法中最低的延迟，并且基于提议的方法通常比密集融合具有更高的延迟。由于RGB和LIDAR功能都在RV中，因此RV密集融合（例如LaserNet ++）速度很快。LIDAR特征可以直接投影到图像中进行融合。相比之下， ContFuse确实BEV密集的融合。它从RGB特征生成BEV特征图，并与LIDAR BEV特征图融合。这具有挑战性，因为并非BEV中的所有像素都能在RV中观察到 RGB图像。几个步骤可以解决这个问题。例如，一个未观察到的BEV像素，将提取附近的K个LIDAR点。计算每个点与目标BEV像素之间的偏移。将这些点投影到RV以检索相应的RGB特征。偏移量和RGB特征被馈送给连续卷积，该连续卷积在RGB特征之间进行插值以在目标BEV像素处生成未观察到的特征。对所有BEV像素完成此操作，生成RGB特征的密集插值BEV贴图。

• 通常，在LIDAR稀疏的情况下以及在小物体上，融合方法的性能增益最高。相对于LIDAR（LaserNet），LIDAR + RGB特征融合（LaserNet ++）的AP改进在车辆上是适度的（0-70m时为+1％AP），但在较小的类别上尤其是较大范围时。LaserNet ++在ATG4D上具有很强的性能，但未体现其KITTI性能。

总结

在BEV和RV预测之间需要权衡取舍。BEV保留度量空间，使对象大小相对于范围保持一致。相反，RV在范围和遮挡方面受尺度变化的影响。其结果是，BEV检测器（例如，PointPillars）实现优越的性能RV（例如，LaserNet）上小的数据集（例如，在KITTI 7.5K帧）具有相似的延迟（例如，对于16ms的PointPillars VS 12ms的用于LaserNet）。但是，RV性能与BEV相当在较大的数据集（例如1.2M帧ATG4D）上。尽管存在此缺点，但RV中的密集特征融合比BEV更快。LaserNet ++报告令人印象深刻的潜伏期（38MS）和比性能更好致密BEV融合检测器（例如，ContFuse在60ms的）。这些对比总结在下图中。新的LIDAR + RGB融合架构可以利用每个投影仪的优势，找到在投影之间移动的方法。

RV和BEV预测之间的对比

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