基于多視角融合的夜間無人車三維目標(biāo)檢測

來源：《應(yīng)用光學(xué)》，作者王宇嵐等

摘 要：為了提高無人車在夜間情況下對周圍環(huán)境的物體識別能力，提出一種基于多視角通道融合網(wǎng)絡(luò)的無人車夜間三維目標(biāo)檢測方法。引入多傳感器融合的思想，在紅外圖像的基礎(chǔ)上加入激光雷達(dá)點(diǎn)云進(jìn)行目標(biāo)檢測。通過對激光雷達(dá)點(diǎn)云進(jìn)行編碼變換成鳥瞰圖形式和前視圖形式，與紅外圖像組成多視角通道，各通道信息之間融合互補(bǔ)，從而提高夜間無人車對周圍物體的識別能力。該網(wǎng)絡(luò)將紅外圖像與激光雷達(dá)點(diǎn)云作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，網(wǎng)絡(luò)通過特征提取層、候選區(qū)域?qū)雍屯ǖ廊诤蠈訙?zhǔn)確地回歸檢測出目標(biāo)的位置以及所屬的類別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠提高無人車在夜間的物體識別能力，在實(shí)驗(yàn)室的測試數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確率達(dá)到90%，速度0.43 s/幀，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：紅外圖像；激光雷達(dá)點(diǎn)云；多視角通道；三維目標(biāo)檢測

引言

夜間無人車在道路上行駛需要感知周圍環(huán)境的車輛、行人[1-2]等，基于紅外攝像頭的感知方案[3-5]雖然能夠感知車輛前方的障礙物，但是無法準(zhǔn)確獲取障礙物的位置信息且準(zhǔn)確率有限。激光雷達(dá)是一種主動傳感器，通過發(fā)射與接收激光光束獲取環(huán)境中物體的信息[6-7]。近幾年陸續(xù)有研究人員利用深度學(xué)習(xí)在激光雷達(dá)點(diǎn)云上進(jìn)行目標(biāo)檢測，斯坦福大學(xué)的Point Net[8]直接將激光點(diǎn)云作為輸入，并解決了旋轉(zhuǎn)問題和無序性問題。2017年蘋果公司Voxel Net[9]將激光雷達(dá)分成等間距的體素，并引入新的體素特征編碼表示，在KITTI[10]上取得很好的成績。清華大學(xué)提出了MV3D[11]，將彩色圖像與激光雷達(dá)點(diǎn)云融合進(jìn)行三維目標(biāo)檢測，該算法在KITTI 上也表現(xiàn)出色。

上述前人的研究工作基本都是在白天條件下的彩色圖像上進(jìn)行，而在夜間，無人車往往需要依賴紅外圖像，但紅外圖像的成像原理是通過紅外攝像頭探測物體自身的紅外輻射，再通過光電變換將物體的溫度分布變換成圖像。紅外圖像具有無色彩、簡紋理、低信噪比等特點(diǎn)。因此在紅外圖像上進(jìn)行目標(biāo)檢測效果較差?？紤]到各個傳感器在不同方面均有利弊，本文利用多傳感器融合的思想，提出了利用多視角通道融合網(wǎng)絡(luò)的基于紅外圖像與激光雷達(dá)點(diǎn)云的夜間無人車三維目標(biāo)檢測方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法的準(zhǔn)確率高且能基本滿足實(shí)時性的要求。

1 多視角通道融合網(wǎng)絡(luò)

本文所采用的多視角通道融合網(wǎng)絡(luò)由特征提取模塊、候選區(qū)域生成模塊和通道融合模塊組成，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

特征提取模塊由特征編碼網(wǎng)絡(luò)和特征解碼網(wǎng)絡(luò)2 部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 多視角通道融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
Fig.1 Structure diagram of multi-view channel fusion network

圖2 特征提取模塊結(jié)構(gòu)圖
Fig.2 Structure diagram of feature extraction module

特征編碼網(wǎng)絡(luò)采用的是改進(jìn)后的VGG(visual geometry group)16 網(wǎng)絡(luò)[12]，將原VGG16 網(wǎng)絡(luò)的通道數(shù)減少一半至50%，然后在網(wǎng)絡(luò)中加入批標(biāo)準(zhǔn)化層，并在Conv4 刪除最大池化層。特征編碼網(wǎng)絡(luò)將M×N×C的紅外圖像、鳥瞰圖或前視圖作為輸入，并輸出?

的特征圖。式中，M表示圖像的長，N表示圖像的寬，C表示通道數(shù)。對于紅外圖像，C為1。特征解碼網(wǎng)絡(luò)采用特征金字塔網(wǎng)絡(luò)[13]的形式，學(xué)習(xí)將特征映射上采樣回原始的輸入大小。特征解碼網(wǎng)絡(luò)將特征編碼網(wǎng)絡(luò)的輸出作為輸入，輸出新的?M×N×D的特征圖，如圖2所示，通過轉(zhuǎn)換-轉(zhuǎn)置操作對輸入進(jìn)行上采樣處理，并和來自特征編碼網(wǎng)絡(luò)的對應(yīng)特征映射進(jìn)行級聯(lián)操作，最后通過3×3 卷積來融合二者。

輸入一幅鳥瞰圖，候選區(qū)域生成模塊會生成一系列的三維候選區(qū)域。每個三維候選區(qū)域有六維的參數(shù)：(x,y,z,l,w,h)，分別表示三維候選區(qū)域在激光雷達(dá)坐標(biāo)系中的中心坐標(biāo)和長寬高尺寸。對于每個三維候選區(qū)域，對應(yīng)在鳥瞰圖中的參數(shù)(xbv,ybv,lbv,wbv)利 用離散的 (x,y,l,w)變換可以得到，表示三維候選區(qū)域在鳥瞰圖中的坐標(biāo)和長寬，其中 離散分辨率為0.1 m。

通道融合模塊結(jié)合各個視角的特征，對各視角上的目標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合分類，并針對三維候選區(qū)域進(jìn)行定向回歸。由于不同的視角有不同的分辨率，對于每個視角通道所輸出的不同分辨率的特征向量，通過ROI（region of interest）池化操作將每個視角通道所輸出的特征向量調(diào)整到相同的長度。通過下式得到3 個視角不同的ROI。

式中：T3D→v表示從激光雷達(dá)點(diǎn)云坐標(biāo)系到鳥瞰圖形式、前視圖形式，和紅外圖像的轉(zhuǎn)換函數(shù)；P3D表示三維候選區(qū)域參數(shù)向量。對于區(qū)域候選網(wǎng)絡(luò)所生成的三維候選區(qū)域，將其投影到經(jīng)過ROI池化操作的鳥瞰圖形式(BV)特征向量、前視圖(FV)特征向量和紅外圖像(IR)特征向量中。對于從某個視角特征提取通道中輸出的特征向量?x，通過ROI池化獲得固定長度的特征?fv。

式中：R表示相應(yīng)的矩陣變換。為了融合來自各個視角通道的特征信息，采用多層次融合的方法，分層融合多視角特征，使得各通道的信息可以在中間層有更多的交互。如圖3所示。

圖3 通道融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
Fig.3 Structure diagram of channel fusion network

對于通道融合網(wǎng)絡(luò)的每一層，輸入為鳥瞰圖形式、前視圖形式以及紅外圖像3 個通道的特征，經(jīng)過一次逐元素平均計算后，再經(jīng)過各自的中間卷積層進(jìn)一步提取特征。具體的融合過程如下式所示。

式中：fl表示第?l層的融合結(jié)果；fBV、fFV和?fIR分別表示鳥瞰圖通道、前視圖通道以及紅外圖像通道的輸入特征；

表示第l層不同通道的中間卷積層；⊕表示逐元素平均運(yùn)算；經(jīng)過通道融合網(wǎng)絡(luò)融合各個視角通道的特征之后，利用融合結(jié)果對候選區(qū)域模塊生成的三維候選區(qū)域進(jìn)行回歸校正，并將融合結(jié)果輸入Softmax 分類器對三維候選區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行分類識別。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)配置與數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文算法中的網(wǎng)絡(luò)基于Tensor Flow[14]框架，實(shí)驗(yàn)硬件配置為處理器Intel i5-6600，內(nèi)存16 GB，顯卡NVIDIA GTX 1070；操作系統(tǒng)Ubuntu14.04。實(shí)驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)由載有紅外攝像頭和激光雷達(dá)的車輛在南京理工大學(xué)夜晚的校園道路上拍攝所得，有車輛、行人和騎自行車的人3 種類別。其中訓(xùn)練集為1 500 張紅外圖像及其對應(yīng)的由激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，驗(yàn)證集為500 張紅外圖像及其對應(yīng)的由激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測試集為600 張紅外圖像及其對應(yīng)的由激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。

對于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中每一個點(diǎn)由其三維坐標(biāo) (x,y,z)和 反射率?r組成，本文將其轉(zhuǎn)化為鳥瞰圖與前視圖的形式。鳥瞰圖形式指的是沿水平坐標(biāo)系(地面)將激光雷達(dá)點(diǎn)云分割成700×800 的網(wǎng)格，再沿Z軸方向把激光雷達(dá)點(diǎn)云平均分成5 層。對于每一個區(qū)域，提取其中最大高度的點(diǎn)的高度作為高度特征；該長方體區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目作為密度特征；對于密度特征ρ，作歸一化處理。

式中N是長方體區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目。最后將激光雷達(dá)點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成通道數(shù)為700×800×6 的鳥瞰圖形式。前視圖形式指的是將激光雷達(dá)點(diǎn)云投射到一個前方的圓柱體平面上。給定激光雷達(dá)點(diǎn)云中的一個點(diǎn)的三維坐標(biāo)?p=(x,y,z)，其在前視圖中的坐標(biāo)?pfv=(r,c)可以通過下式計算得出。

式中：Δθ是 激光的水平分辨率；Δ?是垂直分辨率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

把紅外圖像與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入到多視角通道融合網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)給出檢測結(jié)果。由于紅外攝像頭與激光雷達(dá)的采集頻率不一致，本文根據(jù)激光雷達(dá)幀號匹配紅外圖像，設(shè)定閾值為10 幀，尋找與雷達(dá)幀號小于閾值且最接近的圖像作為對應(yīng)圖像，如圖4所示。

圖4 輸入的紅外圖像與對應(yīng)的激光雷達(dá)點(diǎn)云
Fig.4 Input infrared image and lidar point cloud

使用傳統(tǒng)的AdaBoost[15]算法、和二維的目標(biāo)檢測算法Fast RCNN[16]算法、Faster RCNN[17]算法以及三維的目標(biāo)檢測算法Voxel Net[10]在測試集中進(jìn)行測試，并與本文算法進(jìn)行結(jié)果對比，結(jié)果見表1。

從表1的結(jié)果中可得，本文算法在犧牲部分時間的情況下提高了夜間目標(biāo)檢測的正確率。為了更直觀地顯示本文算法結(jié)果，將目標(biāo)檢測的結(jié)果顯示在激光雷達(dá)點(diǎn)云的鳥瞰圖形式上和紅外圖像上，其中綠色矩形框表示行人，紅色矩形框表示車輛。如圖5所示。

表1 不同算法在測試集上的結(jié)果對比
Table1 Comparison of results for different algorithms on test sets

圖5 目標(biāo)檢測可視化結(jié)果
Fig.5 Visualized result of detection

由圖5可以看出，對于圖5(a 組)，本文算法可以很好地定位行人的位置；對于圖5(b 組)，雖然紅外圖像分辨率較低，連人眼也不容易分辨圖片中的車輛，但加入激光雷達(dá)點(diǎn)云信息后對于該車的定位準(zhǔn)確；對于圖5(c 組)，本文算法定位結(jié)果與人工標(biāo)注信息一致。

3 結(jié)論

本文采用多傳感器融合的思想，在原有紅外圖像的基礎(chǔ)上加入激光雷達(dá)點(diǎn)云，并使用多視角通道融合網(wǎng)絡(luò)對這2 種數(shù)據(jù)進(jìn)行特征融合，準(zhǔn)確地檢測出目標(biāo)的位置以及類別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠提高無人車在夜間的物體識別能力，在實(shí)驗(yàn)室的測試數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確率達(dá)到90%，每幀耗時0.43 s，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。

審核編輯：符乾江