如何利用車載環(huán)視相機(jī)采集到的圖像實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的3D目標(biāo)檢測(cè)

如何利用車載環(huán)視相機(jī)采集到的多張圖像實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的 3D 目標(biāo)檢測(cè)，是自動(dòng)駕駛感知領(lǐng)域的重要課題之一。針對(duì)這個(gè)問題，傳統(tǒng)的檢測(cè)方案可以概括為：先利用一個(gè) 2D 模型在各自的相機(jī)視角獲取 3D 檢測(cè)結(jié)果，再通過后處理算法將各個(gè)視角的 3D 檢測(cè)框投影到 ego frame 再組合在一起。

這樣的做法簡(jiǎn)單有效，但是由于將多視角融合的步驟排除在模型學(xué)習(xí)之外，導(dǎo)致其難以檢測(cè)相鄰環(huán)視相機(jī)重疊部分中被截?cái)嗟奈矬w，也難以實(shí)現(xiàn)與 3D 點(diǎn)云傳感器 (LiDAR) 的數(shù)據(jù)級(jí)/特征級(jí)融合。



Perspective view VS BEV view 3D object detection 隨著 Attention 機(jī)制在 Vision 領(lǐng)域的成功應(yīng)用，大家開始關(guān)注如何將多個(gè) Perspective view 的圖片表征 (image representation) 轉(zhuǎn)化為一個(gè)統(tǒng)一的BEV view (Bird's Eye View, 鳥瞰圖) 的場(chǎng)景表征 (scene representation)，從而實(shí)現(xiàn)完整統(tǒng)一的 3D 目標(biāo)檢測(cè)。具體而言，傳統(tǒng)的 2D 網(wǎng)絡(luò)包含 Backbone 和 Head 兩個(gè)模塊，分別用于特征提取和目標(biāo)檢測(cè)。

BEV 網(wǎng)絡(luò)則在二者之間增加一個(gè) BEV Neck，用于 2D 到 3D 的 BEV 投影以及 BEV 視角下的特征提取。本文嘗試盤點(diǎn)一下目前市面上幾種主流的 Transformer-based BEV 3D object detection 的方法，重點(diǎn)著眼于如何高效的從環(huán)視相機(jī)視角提取 BEV 特征。?

01??Feature point sampling

DETR3D [2] 將原本的 DETR 模型拓展到 3D 空間。具體而言：在 2D Image feature extraction 部分，利用共享權(quán)重的 ResNet+FPN (output stride = 1/8, 1/16, 1/32, 1/64) 提取環(huán)視相機(jī)所采集到的 6 張圖片的特征。

在 3D Transformer decoder 部分，每個(gè) object query 先通過一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)所查詢物體在真實(shí)世界的 3D 坐標(biāo) (reference point)，再利用由相機(jī)的內(nèi)參外參所構(gòu)造的坐標(biāo)變換矩陣 (camera transformation matrices, 3x4) 將真實(shí)世界的 3D 坐標(biāo)投影至環(huán)視相機(jī)的 2D 像素坐標(biāo)，并應(yīng)用雙線性插值采樣各個(gè)相機(jī)視角、各個(gè) PFN 層級(jí)同一位置的特征點(diǎn)（投影在圖像外的特征點(diǎn)用 0 填充），最后利用所采樣到的 6x4=24 個(gè)特征點(diǎn)的均值作為物體特征更新 object query。? Feature point sampling有很多優(yōu)點(diǎn)：

1）計(jì)算量?。ó吘怪徊蓸?24 個(gè)特征點(diǎn)）；

2）兼容 FPN（應(yīng)該對(duì)檢測(cè)不同距離的物體有幫助）；

3）避免了 dense depth prediction（只需要預(yù)測(cè) sparse object query 的 3D 坐標(biāo)，不需要預(yù)測(cè)每張圖片、每個(gè)像素的深度信息）。

02??Global cross-attention

無(wú)法直接用 3D object query 在 2D spatial features 上實(shí)現(xiàn)查詢匹配的原因之一，是二者空間上的不一致：在 2D 圖片上兩個(gè)點(diǎn)之間的坐標(biāo)距離難以表述 3D 世界中這兩個(gè)點(diǎn)的實(shí)際距離。

為了將 2D 的圖像特征擴(kuò)展到 3D 檢測(cè)空間（以方便 3D object query 查詢匹配），PETR [3] 選擇在 Positional embedding 方面做改進(jìn)：為 2D 特征圖上的每個(gè)像素生成一個(gè)對(duì)應(yīng)真實(shí)世界中的 3D 坐標(biāo)列表（2D 圖片上的一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng) 3D 真實(shí)世界中以相機(jī)鏡頭為起始點(diǎn)的一條射線 (camera ray)，列表即是在這條射線上采樣的 N 個(gè)點(diǎn)的 3D 坐標(biāo)集合），再通過 MLP 將這個(gè)坐標(biāo)列表轉(zhuǎn)化為 3D Positional embedding。

下圖展示了前視相機(jī)的左中右三個(gè)點(diǎn)與其他所有相機(jī)視角的 3D Positional embedding 的相似度比較，可以發(fā)現(xiàn)與這三個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)真實(shí)世界的三條射線夾角較小的區(qū)域相似度較高，證明這種 2D 到 3D 的轉(zhuǎn)換是有效的。



圖片來(lái)自PETR 有了 3D Positional embedding 的修飾，原本的 2D 圖像特征便可以升級(jí)成 3D 空間特征，直接與 3D object query 做查詢匹配。

PETR [3] 最大程度上保留了 Anchor DETR [4] 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和檢測(cè)邏輯，在 Transformer decoder 階段使用了原本的 Global cross-attention，即每個(gè) 3D object query 要和 6 張環(huán)視圖片的所有特征點(diǎn)做一遍相似度匹配。 值得注意的是：

1）可能是出于計(jì)算量考慮，PETR [3] 并沒有采用多尺度 FPN，而是僅僅使用固定大?。╯tride=16）的特征圖；

2）根據(jù)作者的實(shí)驗(yàn)，BEV query（3D anchor points）需要在高度上（z 軸）做出細(xì)分，這與目前許多 pillar-based 檢測(cè)方法有所不同。?

03??Deformable cross-attention

BEVFormer [5] 繼承自 Deformable DETR [6]，與上述兩個(gè)工作的主要區(qū)別在于：

1）顯式得構(gòu)建 BEV features（200x200 分辨率，覆蓋以車為中心邊長(zhǎng) 102.4 米的正方形區(qū)域）；

2）利用 Deformable cross-attention 從 image space aggregate spatial information 到 BEV query 中；

3）引入多幀時(shí)序信息。



圖片來(lái)自BEVFormer 其具體做法是：為 BEV space 的每個(gè) feature point 定義一組 anchor heights（pillar-like query, four 3D reference points from -5 meters to 3 meters），將這 4 個(gè)點(diǎn)投影回 2D image space 進(jìn)行特征點(diǎn)采樣（sampling 4 points around this reference point），再用采樣得到的特征點(diǎn)與 BEV query 做 deformable attention。

相比于前兩種方法，Deformable cross-attention 更加靈活：它并不只采樣一個(gè)點(diǎn)，也不是跟 6 張圖片的所有位置挨個(gè)匹配，而是查詢 reference point 周圍的感興趣區(qū)域（RoI, region of interest）。

細(xì)算一下，一個(gè) pillar-like BEV query 對(duì)應(yīng) 4 個(gè)不同高度的 reference points，每個(gè) reference point 采樣 4 個(gè)特征點(diǎn)，deformable attention 還涉及 8 個(gè) heads，再加上 3 層 FPN（output stride=1/16, 1/32, 1/64）的特征輸出，最終一個(gè) BEV query 實(shí)際上考察了 4x4x8x3=384 個(gè)特征點(diǎn)。

04??Lift-Splat

嚴(yán)格來(lái)說 Lift-Splat [7] 并不是基于 Attention 實(shí)現(xiàn)的，而是根據(jù)（預(yù)測(cè)的）深度信息加權(quán)來(lái)實(shí)現(xiàn)特征從 perspective view 到 BEV 的轉(zhuǎn)換（值得注意的是，每張圖片的每個(gè)特征點(diǎn)都需要預(yù)測(cè)其深度信息）。



圖片來(lái)自Lift, Splat, Shoot 具體來(lái)說，在 Lift 步驟：與 PETR [3] 類似，考慮 2D 圖片上的一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng) 3D 世界的一條射線，故可以在這條直線上采樣 N 個(gè)點(diǎn)（例圖用了 10 個(gè)，實(shí)際用了 41 個(gè)）；之后網(wǎng)絡(luò)需要預(yù)測(cè)這個(gè)特征點(diǎn)的深度信息 (distribution over depth，參考直線上的直方圖)，利用深度信息加權(quán) (scale) 同一位置的圖像特征 C（參考例圖右側(cè)，由于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的深度在第三個(gè) bin 較高，所以當(dāng)深度 D=3 時(shí)特征與圖片特征 C 最接近，而其余深度處特征較弱）。 對(duì)一張圖片每個(gè) 2D 特征點(diǎn)做相同的操作，就可以生成一個(gè)形狀類似平頭金字塔 (frustum) 的點(diǎn)云。

在 Splat 步驟：首先構(gòu)建一個(gè) pillar-based BEV 視角的特征圖（200x200 分辨率，覆蓋以車為中心邊長(zhǎng) 100 米的正方形區(qū)域），然后將上一步驟得到的 6 個(gè)平頭金字塔點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)匹配 (assign) 給距離最近的 pillar，最終 BEV space 上每個(gè) pillar 的特征就是所有匹配到的特征點(diǎn)的和 (sum pooling)。 基于此方法的后續(xù)改進(jìn)包括：

1. 通過添加顯式的深度預(yù)測(cè)監(jiān)督 (explicit depth estimation supervision) 實(shí)現(xiàn)更精確的 camera to BEV 特征轉(zhuǎn)換 [8]；

2. 通過添加坐標(biāo)轉(zhuǎn)換預(yù)計(jì)算 (precomputation) 與 GPU 多線程并行池化 (specialized GPU kernel that parallelizes directly over BEV grids) 實(shí)現(xiàn)更快速的 camera to BEV 特征轉(zhuǎn)換 [9]；

3. 由于 Splat 步驟所采用的 sum pooling 會(huì)粗暴地壓縮一個(gè)BEV grid 的高度（Z軸）信息，故可以先將 Lift 步驟得到的點(diǎn)云渲染成立體特征 (pseudo voxel, feature shape = XYZC)，再 reshape 成 XY(ZC)，最后通過 3x3 卷積降低特征通道數(shù)至 C [10]。

05??Future directions

仿照 Sparse RCNN [11] 的思路，在 BEV space 通過 RoIAlign 的方式抽取環(huán)視相機(jī) perspective view 的 2D 特征（每個(gè)視角一個(gè) RoI，投影到圖片外的 proposal 用 0 填充）是否可行？目前還沒有讀到類似的工作，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。? 上面介紹的方法都是基于 query-based detection，出于計(jì)算量考慮 query 的數(shù)量一般比較少（大約 500-1500 左右），復(fù)雜場(chǎng)景下模型的 recall 表現(xiàn)還有待調(diào)研。?

Transformer-based BEV 3D object detection 模型是否必須依賴 perspective view 的預(yù)訓(xùn)練模型 (e.g., FCOS3D [12])？能否設(shè)計(jì)一種時(shí)間+空間、2D 到 3D、單任務(wù)到多任務(wù)、單傳感器到多傳感器的大規(guī)模自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練？能否利用大規(guī)模仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)？??

審核編輯：劉清