數(shù)名來自百度智能駕駛事業(yè)群組（Baidu IDG）的研究員和工程師們實現(xiàn)了全球首個基于深度學(xué)習(xí)的激光點云自定位技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的人工設(shè)計的復(fù)雜算法，該系統(tǒng)首度基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了高精度厘米級的自定位效果，取得了重要的技術(shù)突破。該系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)論文收錄在今年 6 月份在美國洛杉磯長灘市舉行的國際頂會 CVPR 2019。
作為人工智能最「硬核」的落地方向之一，自動駕駛在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了廣泛關(guān)注。自動駕駛的實現(xiàn)不僅將帶來汽車產(chǎn)品形態(tài)的根本性變化、顛覆傳統(tǒng)汽車技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)格局，還將引發(fā)消費者出行和生活方式、信息技術(shù)和通信方式、信息和交通基礎(chǔ)設(shè)施的變革。然而與高回報成正比的則是實現(xiàn)難度。完整的自動駕駛系統(tǒng)包含了自定位（Localization）、自動駕駛地圖（AD Map）、障礙物感知（Perception）、決策和規(guī)劃（Decision and Planning）、控制（Control）等模塊。
高精度自定位是實現(xiàn)自動駕駛的必要技術(shù)之一，目前主流的 L4 及 L5 級別的自動駕駛汽車高度依賴一套高精度、高可靠性、強場景適應(yīng)能力的自定位系統(tǒng)。這套系統(tǒng)為自動駕駛系統(tǒng)提供了高精度厘米級的定位能力，配合上自動駕駛地圖，無人車就可以根據(jù)自身處于環(huán)境中的位置來讀取預(yù)存在地圖中的環(huán)境信息，這些預(yù)存在地圖里的數(shù)據(jù)包含了包括紅綠燈、人行橫道、車道線、道路邊界、停車位等各種無人車所需要的環(huán)境信息，借助這些信息，無人車巧妙地規(guī)避了需要實現(xiàn)一個高準(zhǔn)確度的在線環(huán)境信息感知系統(tǒng)的難題，大幅降低無人車的技術(shù)難度，變不可能為可能。
同時，作為無人車的核心模塊之一，定位系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題，會造成無人車跑偏撞路肩等災(zāi)難性事故。在此論文中，來自百度的技術(shù)專家們提出了一套全新的基于深度學(xué)習(xí)的激光點云自定位技術(shù)方案，實現(xiàn)了厘米級的定位精度，同時有著更好地對環(huán)境變化的適應(yīng)能力。
鏈接：https://songshiyu01.github.io/pdf/L3Net_W.Lu_Y.Zhou_S.Song_CVPR2019.pdf
摘要：百度提出了一種基于學(xué)習(xí)的點云定位技術(shù)，該技術(shù)對傳統(tǒng)的定位方法進行拆解，使用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)來取代傳統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和步驟。該方案是全球范圍內(nèi)，業(yè)界首次通過使用直接作用于激光點云的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)來解決自動駕駛的自定位問題。
為了驗證算法的有效性，同時百度計劃在 Apollo 平臺開放一組總計約 380km 的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包含了制圖、訓(xùn)練、測試三個子集，涵蓋了城市道路，園區(qū)內(nèi)部道路以及高速等多種場景，地圖和測試集之間的最長時間跨度達(dá)一年。在該數(shù)據(jù)集上，百度驗證了其算法相對于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢。目前，該研究論文已被計算機視覺領(lǐng)域頂會 CVPR 2019 收錄。
引言
眾所周知，深度學(xué)習(xí)技術(shù)近年來在各個人工智能領(lǐng)域都取得了令人矚目的成績，戰(zhàn)勝人類圍棋冠軍棋手的 AlphaGo 更是令普通大眾都深刻感受到了 AI 技術(shù)突破帶來的威力。然而，我們同時發(fā)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)目前可以良好解決的問題，主要集中在需要理解、分析、判斷等人類根據(jù)經(jīng)驗定義的問題。例如，在計算機視覺領(lǐng)域，深度學(xué)習(xí)在解決圖像分割、圖像分類、物體檢測等問題都取得了非常良好的效果。但是，對于另一大類重要的問題，例如和測量測距、三維重建等相關(guān)的幾何問題，雖有個別工作取得了一定進展，但總體來說深度學(xué)習(xí)尚未在相關(guān)領(lǐng)域取得決定性的突破。無人車自定位問題則是這類問題的一個典型代表，目前無論從高校到行業(yè)巨頭，各路玩家的無人車自定位技術(shù)也都還沒有成功應(yīng)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)的先例。然而，歷史的經(jīng)驗告訴我們，一旦基于學(xué)習(xí)的技術(shù)在解決某個人工智能問題領(lǐng)域取得突破性的進展，這種技術(shù)演進的洪流通常會以勢不可擋之勢在各個性能指標(biāo)維度迅速大幅超越傳統(tǒng)人工設(shè)計的算法，成為新的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
定位作為自動駕駛的基礎(chǔ)模塊之一直是研究的熱點問題，現(xiàn)有傳統(tǒng)的激光點云定位技術(shù)如圖 1 上半部分所示，其中包含包含了特征提取、特征匹配和時序優(yōu)化等模塊，整個算法的輸入包括實時在線激光點云，定位地圖以及來自慣性傳感器的初始預(yù)測的定位位置和姿態(tài)，最后的輸出則是定位算法優(yōu)化之后的位姿結(jié)果。整體方案的思路和人類認(rèn)路的方法其實是高度近似的，我們平時也是通過一些典型的地標(biāo)建筑物等實現(xiàn)對自身位置的判斷。不同的是，無人車的定位結(jié)果需要厘米級的位置精度以及亞角度級的姿態(tài)精度來保證無人車可準(zhǔn)確地從自動駕駛地圖中提取必要的信息。盡管上述方案已經(jīng)取得了當(dāng)前最佳的定位效果，但是這類人工設(shè)計的算法進行特征提取和匹配時，對環(huán)境的變化非常敏感。在不斷動態(tài)變化的環(huán)境中無法最智能地捕捉環(huán)境中不變的信息（例如，地標(biāo)、路牌等）從而實現(xiàn)對自身位置的高精度高魯棒性的估計，取決于環(huán)境變化的劇烈程度在實際應(yīng)用中需要經(jīng)常對定位地圖進行更新，這會帶來成本的上升。
百度提出的方案如圖 1 下半部分所示，通過將傳統(tǒng)方法中的各個流程使用不同類型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來進行改造，實現(xiàn)了開創(chuàng)性的基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的無人車激光自定位技術(shù)：L3-Net。
圖 1 傳統(tǒng)方法與 L3-Net 技術(shù)流程對比，L3-Net 使用 PointNet 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)特征提取，使用 3D CNNs 網(wǎng)絡(luò)進行特征匹配和優(yōu)化，最終使用 RNNs 網(wǎng)絡(luò)完成時序上的平滑。
根據(jù)論文內(nèi)容，百度提出的技術(shù)方案的先進性集中體現(xiàn)在以下幾個方面：
提出了行業(yè)內(nèi)首個基于深度學(xué)習(xí)的自動駕駛自定位技術(shù)解決方案，可以準(zhǔn)確的估計車輛的位置和姿態(tài)，取得了厘米級精度的定位效果。
使用不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拆解取代傳統(tǒng)激光點云定位的技術(shù)流程并將其串聯(lián)起來統(tǒng)一訓(xùn)練，使網(wǎng)絡(luò)能夠以端到端的方式完成在線激光點云定位任務(wù)。
即將發(fā)布一組包含城市道路、園區(qū)道路、高速等復(fù)雜場景的全長 380km 的通用數(shù)據(jù)集用于同類算法測試，更進一步充實百度 Apollo 開放平臺的開放內(nèi)容。
方法
百度提出的基于深度學(xué)習(xí)的激光定位系統(tǒng)需要一個預(yù)先建立的激光點云定位地圖、在線激光點云以及來慣性傳感器的預(yù)測位姿作為輸入。其中預(yù)建的激光點云定位地圖是通過離線制圖算法對多次采集的同一區(qū)域的點云數(shù)據(jù)進行融合，并使用點云識別算法剔除動態(tài)地物得到。在線點云是由自動駕駛車輛上安裝的激光雷達(dá)設(shè)備在行駛過程中采集獲得，而預(yù)測位姿則由上一幀定位結(jié)果加上慣性傳感器或者車輛運動模型估計的增量運動來進行遞推?？偟膩碚f，這個定位框架通過最小化在線點云和地圖的匹配距離，優(yōu)化預(yù)測位姿從而獲得定位結(jié)果的。一般來說，無人車需要定位模塊輸出六個自由度位姿，包括三個坐標(biāo)軸（x, y, z）方向上的平移（?x,?y,?z）以及三個坐標(biāo)軸上的旋轉(zhuǎn)（俯仰角，翻滾角和航向角），但是由于慣性傳感器通?？梢蕴峁┫鄬?zhǔn)確的俯仰和翻滾角信息，而當(dāng)（x,y）估計準(zhǔn)確時，高程 z 通常可以從地圖中獲取。因此，在目前主流的自定位系統(tǒng)設(shè)計中一般只估計 2D 水平平移（?x,?y）和航向角，L3-Net 也采取了類似的設(shè)計。
圖 2 百度提出的基于學(xué)習(xí)的激光自定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) L3-Net。該網(wǎng)絡(luò)通過兩個階段進行訓(xùn)練，第一階段訓(xùn)練只包含了黑色箭頭部分，包括關(guān)鍵點選擇、特征提取以及基于 3D CNNs 的特征匹配；第二階段訓(xùn)練包含了青色箭頭的部分，這一階段訓(xùn)練包含了用于時序平滑的 RNNs 網(wǎng)絡(luò)。
具體來說，百度提出的 L3-Net 算法流程如圖 2 所示。對于每一幀在線點云，需要找到一系列的關(guān)鍵點，并以關(guān)鍵點為中心的收集局部點云塊從中提取特征描述子。關(guān)鍵點的提取需要同時考慮局部和全局的幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系。L3-Net 首先利用點云的密度找到了一些候選點。接著對每個候選點使用經(jīng)典點云 3D 結(jié)構(gòu)特征估計其線性和散亂性的概率，最終綜合考慮候選點之間的距離及其結(jié)構(gòu)特性選取出關(guān)鍵點。對于每個關(guān)鍵點，該方法收集了其局部范圍內(nèi)的點云信息，再通過 mini-PointNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到特征描述子。其中 PointNet 是 2017 年 CVPR 收錄的直接作用于無序點云的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，L3-Net 這里使用的 mini-PointNet 是其簡化版本，由一個多層感知機（Multi-Layer Perceptron, MLP) 和一個 Max-Pooling 層組成，這也是直接作用于無序點云的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高精度激光點云定位/匹配任務(wù)的首次嘗試。
在獲得了關(guān)鍵點的特征描述子后，需要對 2D 水平位置（?x,?y）和航向角結(jié)果進行求解，這等價于求解預(yù)測位姿和真值在水平位置和航向角上的偏移量。針對這個問題，L3-Net 采用了搜索的方法，對預(yù)測位姿為中心的（?x,?y,?yaw）三維狀態(tài)空間進行離散化，取其中一定范圍內(nèi)的定位狀態(tài)構(gòu)成集合。對于在線點云中的一個關(guān)鍵點，通過計算集合中每種定位狀態(tài)下在線點云與地圖的匹配效果可以獲得的 cost volume。接著使用 3D CNNs 對 cost volume 進行正則化操作，這樣做是為了抑制其中的異常值，提升匹配效果。正則化后，L3-Net 將所有關(guān)鍵點的 cost volume 相加并通過 softmax 層得到（?x,?y,?yaw）定位空間的 probability volume，進而估計出（?x,?y,?yaw）的定位結(jié)果。
在得到了每幀點云定位結(jié)果后，L3-Net 通過 LSTM 網(wǎng)絡(luò)對車輛的運動模型進行建模，利用定位的時序關(guān)系提升定位結(jié)果，實驗表明獲得了更加平滑和精確的定位結(jié)果。
圖 3 基于深度學(xué)習(xí)的 L3-Net 激光點云定位系統(tǒng)與其他系統(tǒng)對比的結(jié)果。
圖 4 L3-Net 定位網(wǎng)絡(luò)各階段輸出化的可視化效果。Cost Volume 欄中每一列表示一個關(guān)鍵點的匹配情況，其中每一行表示一種航向角狀態(tài)，每個圖片表示水平位置的 cost 分布。在把所有關(guān)鍵點的 cost volume 合并到一起后，可以看到匹配響應(yīng)顯著增強。最終估計的定位結(jié)果（0.538m, 0.993m, 1.001 度）和其對應(yīng)的來自數(shù)據(jù)集的定位真值（0.524m, 0.994m, 1.044 度）在最右欄展示。
總結(jié)
針對自動駕駛中的自定位問題，百度提出了一套基于深度學(xué)習(xí)的激光點云自定位算法。百度使用不同類型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對傳統(tǒng)方法中的各功能模塊進行替代，并在一個包含多種場景路況和大尺度時間跨度的數(shù)據(jù)集上驗證了算法效果，實現(xiàn)了厘米級的定位精度。該數(shù)據(jù)集包含了城市道路、園區(qū)道路和高速等多種富有挑戰(zhàn)的路況場景，數(shù)據(jù)總里程達(dá) 380km，即將在百度 Apollo 平臺開放。