一、ADAS的實現(xiàn)途徑
伴隨著這幾年自動駕駛概念的火熱,ADAS越來越受大家關(guān)注,輔助駕駛作為自動駕駛的早期階段,在整個流程里扮演著感和知的角色。
第一步是通過各種傳感器來采集車身已經(jīng)周邊環(huán)境信息,包括但不限于GPS、車身傳感器、攝像頭及雷達(dá)等。目前汽車智能都離不開這幾種傳感器的融合運用,為車輛來建立周邊的立體信息。
第二步則是根據(jù)采集到的信息來進(jìn)行道路、車輛、行人和路標(biāo)的識別。對各種工況下道路參與者的狀態(tài)提取,給決策者提供決策信息。如果決策者為駕駛員,那么是輔助信息;如果決策者為制動部件,那么就上升到AEB或者LC等Level 2以上的駕駛輔助階段。
各類傳感器的機(jī)制從底層邏輯來說是比較類似的,都是光學(xué)或者模擬信號的數(shù)字化,采用算法來還原傳感量的變化。而攝像頭技術(shù)是目前ADAS領(lǐng)域最快速發(fā)展的傳感器技術(shù)。
SA(Strategy analytics)分析指出:如果車輛前方只有一個傳感器,那么最大可能是攝像頭;如果車輛前方有多個攝像頭,那么確定的是會有一個攝像頭在其中。
二、視覺ADAS的基本原理
我們以目前基于攝像頭的單目視覺為例來說明其基本原理。
整個流程包括樣本的采集及標(biāo)記,同時對標(biāo)記的樣本進(jìn)行大范圍訓(xùn)練來提取特征和模型,將模型作為實際圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類識別。
另外一個維度,我們需要保證圖像源的質(zhì)量,通過寬動態(tài)、強(qiáng)光抑制、降噪等技術(shù)來保證輸入數(shù)據(jù)源的干凈,將真實環(huán)境清晰的數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣化和紋理化送入分類器進(jìn)行識別。
同時,在這個環(huán)節(jié)我們要非常注重模型數(shù)據(jù)和圖像源數(shù)據(jù)的一致性,即樣本標(biāo)記的數(shù)據(jù)和實際圖像源要來自相同的鏡頭、圖像Sensor和相同的ISP技術(shù),來保證訓(xùn)練和實際的高匹配。
這部分是目前在實驗室做數(shù)據(jù)時很難實現(xiàn)的,很多可能采用的是公開的樣本庫來訓(xùn)練,而公開樣本庫所采用的攝像頭、鏡頭角度等并不是我們實際中使用的。
三、視覺ADAS的難點
在產(chǎn)品開發(fā)中,難點在各個環(huán)節(jié)都有覆蓋。
首先是算法本身的檢測率,這是需要不斷提升的環(huán)節(jié)。需要在魯棒性和敏感性之間作平衡,來保證產(chǎn)品的良好體驗。
同時從產(chǎn)品工程化的角度講,很多時候并不能用檢測率最高的算法,必須優(yōu)化算法速度,因為我們沒法將一顆i7芯片或者服務(wù)器搬到汽車上去;其次是正負(fù)樣本的積累,考慮到源同步的問題,樣本積累必須來自實測,同時保證大量。
第三個方面,既然做的是產(chǎn)品,那么硬件處理器和攝像頭的選擇必須考慮性價比、可量產(chǎn)性等。
第四,安裝方面要盡可能的簡化用戶的安裝步驟,降低安裝難度,那么需要在算法設(shè)計的時候充分將內(nèi)外參的兼容性考慮進(jìn)去,并在不同車型的測試中驗證,這部分是采用技術(shù)提升體驗的關(guān)鍵。
最后是天氣適應(yīng)性,每種傳感器都有自己的長處,但是也都有自身的短板,比如雷達(dá)對靜態(tài)物體、激光雷達(dá)對天氣,攝像頭也會受制于天氣和光照影響,在這些條件下,提升攝像頭前端技術(shù)變得尤為重要(Mobileye也不僅僅是一個算法公司)。
當(dāng)前階段在嵌入式端工作的算法,普遍基于機(jī)器學(xué)習(xí),其優(yōu)點是工程化、量產(chǎn)化更有可行性。
任何人工智能算法的落地都必須具備可工程化。一方面是視覺前端的提升帶來了運算量的降低;另一方面科研人員的探索可以給技術(shù)實現(xiàn)提供更豐富的組合可能。
同時摩爾定律的繼續(xù)深化帶來芯片可以實時的完成更多復(fù)雜的算法,特別是嵌入式芯片可以運行以前高配置電腦甚至服務(wù)器才能完成的功能。
當(dāng)然硬幣的另一面,依然有需要用更好的方法來解決的地方,包括有遮擋的目標(biāo)物、檢測率的繼續(xù)提升等等。這些都有待攝像頭前端技術(shù)的繼續(xù)提升和深度學(xué)習(xí)算法的嵌入式應(yīng)用來解決。
四、視覺ADAS的功能
接下來我們通過兩個簡單的例子來介紹車輛識別、車道線識別、交通標(biāo)志牌識別等功能。
對車輛識別和車道線識別只是前方碰撞預(yù)警和車道偏離預(yù)警的第一步,我們還需要綜合速度、車輛自身行駛區(qū)域、前方車輛狀態(tài)等信息來進(jìn)行分析,參照ISO標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行報警信息的輸出。
1、車輛識別及跟蹤:
2、車道線識別:
3、交通標(biāo)志識別:
基于前面基本功能和背景的分析,我們從以下幾個方面來探討ADAS技術(shù)的深化之路,它需要的是面向AEB(自動制動)、LC(車道中心保持)等。
五、視覺ADAS的硬件
視覺ADAS系統(tǒng)其實是一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)或者相機(jī)。
但是它比普通相機(jī)運行的環(huán)境更加苛刻,包括振動、顛簸、高溫等因素,我們從每一個環(huán)節(jié)來保證這套系統(tǒng)的一致性和可靠性,特別是圖像源環(huán)節(jié),比如說鏡頭標(biāo)定、焦距控制、畸變系數(shù)的補(bǔ)償,這些都構(gòu)成產(chǎn)品可量產(chǎn)性的重要因素。
視覺ADAS系統(tǒng)的內(nèi)參可靠性同時要結(jié)合外部參數(shù)的差異性。比如說車輛在平路和坡道時的視覺和測距完全不一樣,我們通過對自身鏡頭的參數(shù)和外部目標(biāo)的視角進(jìn)行距離矯正,最終達(dá)到1個像素以內(nèi)的誤差。
精準(zhǔn)的距離測試是前車碰撞預(yù)警乃至AEB的基礎(chǔ)。
目前,基于單目視覺的測距方法集中于兩類:
其一,就是通過光學(xué)幾何模型(即小孔成像模型)建立測試對象世界坐標(biāo)與圖像像素坐標(biāo)間的幾何關(guān)系,結(jié)合攝像頭內(nèi)、外參的標(biāo)定結(jié)果,便可以得到與前方車輛或障礙物間的距離;
其二,就是在通過采集的圖像樣本,直接回歸得到圖像像素坐標(biāo)與車距間的函數(shù)關(guān)系,這種方法缺少必要的理論支撐,是純粹的數(shù)據(jù)擬合方法,因此受限于擬合參數(shù)的提取精度,魯棒性相對較差。
正因如此,我們采用了光學(xué)幾何模型進(jìn)行車距的計算。前面已經(jīng)說過了,我們采用了嚴(yán)格的攝像頭標(biāo)定方法可以獲得精準(zhǔn)的內(nèi)參和外參。
除此之外,影響測距精度的另一重要因素就是車輛邊緣檢測的精度。我們采用了精確的邊緣檢測和多幀綜合檢測的算法,可以在不同的光線環(huán)境下得到相對精準(zhǔn)的用于車距檢測的車輛坐標(biāo)信息。
盡管如此,由于道路平面的多變特性,動態(tài)的距離測試必須考慮外參的動態(tài)改變量及圖像處理時的隨機(jī)誤差。圖像上幾個像素的跳變,就可能引起遠(yuǎn)距離車距測量的較大誤差。
因此,我們在誤差來源分析的基礎(chǔ)上,力圖通過誤差修正方法及算法優(yōu)化方法,從多個層面降低測距誤差:
道路環(huán)境的精準(zhǔn)重構(gòu):
同時可以保證我們對周邊其他參照系的精確重構(gòu)。在這個模型圖像里,我可以看到對道路環(huán)境進(jìn)行了位置重構(gòu),對車道線距離、車輛距離、車道線角度以及車高等信息完成了提取,特別是車道線的距離檢測可以達(dá)到厘米級的誤差。
六、視覺ADAS的算法
剛才講到的是前端攝像頭,接下來是算法端的核心。我們需要的是對樣本進(jìn)行大量的訓(xùn)練。我們在樣本的訓(xùn)練方式上采用了一些創(chuàng)新,包括UGC(User Generated Content)、圖像源同步、自動提取和人工校驗相結(jié)合等。
算法的載體是硬件,硬件的選擇需要從運算速度、功耗散熱和成本三個方面來平衡。
攝像頭、算法及硬件最終需要通過安裝來保證設(shè)計者的意志得到體現(xiàn),糟糕的安裝會導(dǎo)致前面的工作功虧一簣。在有安裝條件的情況下,我們通過專業(yè)安裝人員進(jìn)行標(biāo)定板的安裝;同時我們有大量的DIY用戶,那么便可以通過精簡的內(nèi)外參和行駛數(shù)據(jù)總結(jié)來給用戶提供個性化的報警機(jī)制。
我們目前近千臺的激活用戶經(jīng)過上百萬公里的行駛里程積累,產(chǎn)生了一些比較喜人的數(shù)據(jù)。
根據(jù)我們的駕駛行為評分系統(tǒng),某個用戶在為我們貢獻(xiàn)了2950公里里程的實際數(shù)據(jù)的同時,他的駕駛得分得到了穩(wěn)步的提高,充分體現(xiàn)了ADAS系統(tǒng)對用戶的駕駛規(guī)范性提升價值。
最后,針對視覺ADAS的發(fā)展趨勢,程建偉認(rèn)為將包含以下方面:
(本文內(nèi)容由武漢極目智能CEO程建偉分享,新智駕整理。)
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