A Simple Baseline for BEV Perception Without LiDAR 论文笔记

原文链接：https://arxiv.org/pdf/2206.07959.pdf

        本文是针对BEV分割任务提出的。

1.引言

        许多多视图图像方法关注生成自车周围3D场景的BEV语义表达，并用于与驾驶相关的任务上；通常的方法是使用单应性矩阵、借助深度估计、MLP、几何感知的transformer或是跨时空的可变形注意力将2D图像平面的特征“提升”到BEV平面。

        本文方法的“提升”操作是无需参数的，且不依赖深度估计：在3D空间定义坐标体积单元，将坐标投影到图像，并将投影位置的采样特征取平均。该方法性能和速度均能能超过SotA，且有更少的参数。实验表明batch size、数据增广和输入分辨率对性能的影响很大。

        此外，虽然某些现有的雷达语义BEV映射工作表明，雷达点太过稀疏而没有作用，但都是单独评估雷达，而忽视了RGB图像和雷达可能相互补偿的多模态融合。本文使用了雷达的度量信息，将雷达在BEV栅格化并与RGB特征拼接，进一步缩小了与激光雷达方法的差距。

3.BEV映射方法

3.1 概述

        如下图所示。输入数据可来自多视图相机、多雷达单元以及激光雷达（可选）。设各传感器数据被同步，且已知内外参。

        将3D空间离散化为体积单元（以参考相机为中心），并定义左右轴为，上下轴为，前后轴为。

        首先提取各图像特征，然后使用双线性采样为3D体积单元填充特征，即将各体积单元中心投影到各2D特征图上，使用双线性采样获取特征。若提供雷达数据，则将雷达栅格化为BEV图像，并与3D体积网格拼接。压缩垂直维度后，使用2D卷积进一步处理，输入到任务头中产生BEV下的分割图（每个像素类别的概率分布）、中心性分数图（与每个像素属于物体中心的概率正相关）、以及偏移量图（每个像素对应一个指向最近物体中心的向量；即物体内的点指向所属物体中心）。

3.2 结构

        图像编码器使用ResNet-101不同层的多尺度输出，上采样后拼接，通过卷积块（卷积+Instance Normalization+ReLU）融合多尺度特征。

        为每个视图图像建立体积网格并记录有效性（有效即体素中心位于图像棱台中），然后将各视图体积网格按有效性加权平均，并将垂直维度置于通道维度，即（即M²BEV中提到的S2C操作）。

        对于雷达，直接离散化为BEV网格，使用雷达的非空间特征（维）作为通道，得到的张量。对于激光雷达，则体素化为大小为的二值占用图。

        然后将雷达和图像特征拼接，使用卷积压缩通道维度。使用ResNet-18得到多尺度BEV特征图，上采样到输入分辨率并拼接，输入到任务头（卷积+Instance Normalization+ReLU）中。

        分割损失为交叉熵损失，中心性分数和偏移量损失为L1损失；使用基于不确定性的可学习加权来平衡各项损失。

        与其他工作相比，本文的方法更简单，尤其是在2D到3D的提升阶段。

3.3 实施细节

        图像主干ResNet-101进行目标检测的预训练。

        训练时，随机选择相机作为参考相机，以使3D体积网格的朝向（以及标注物体的朝向）随机化；图像被随机裁剪（相应修改内参）。测试时，使用前视相机作为参考相机，图像进行中心裁剪。

4.实验

4.1 主要结果

        对于单帧图像方法，本文的性能超过所有其余方法，甚至超过多帧BEVFormer方法。此外，加入雷达模态能大幅提高性能；RGB+激光雷达能得到更好的性能，但与RGB+雷达的方法的差距比期望的差距更小（有方法说RGB+雷达会起到副作用）。

        速度和复杂度：比BEVFormer快速，且含更少的参数；主要参数都位于图像主干。

        定性结果：虽然雷达点云稀疏而富含噪声，但雷达能为场景结构提供线索，与RGB特征融合后能得到更精确的BEV语义分割结果。

4.2 消融研究

        输入分辨率：图像分辨率太大或太小时性能都有下降，可能是物体尺度和图像分支预训练数据集的物体大小不一致，使得迁移不那么有效。

        Batch size：实验表明本文的模型，batch size越大性能越好。

        数据增广：训练时随机选择参考相机的方法能带来微小的性能提升，且可视化表明该操作可以修正某些位置上某些朝向估计的微小偏差。

        随机丢弃视图图像的数据增广会带来反作用，这可能是随机选择参考相机的方法已经能提供足够的正则化。

        图像色彩、对比度和模糊数据增广方法均会使性能变差。

        雷达的使用：仅使用雷达BEV占用图与图像融合会有性能下降，因为雷达的特征中包含了速度等信息，对从背景中区分运动物体很重要。此外，使用数据集官方提供的方法过滤outlier后的性能也有下降，这可能是过滤掉了一些真实点。使用多帧雷达（在当前帧坐标对齐）能提高性能，因为雷达点云更加密集。

        局限性：未引入图像的时间信息；训练时间较长。