自動駕駛中單目攝像頭檢測輸出3-D邊界框的方法

本文介紹了自動駕駛中單目攝像頭檢測輸出3-D邊界框的方法

單目圖像估計3-D檢測框是目前自動駕駛研發(fā)流行的，單純的2-D檢測框無法在3-D空間去做規(guī)劃控制，去年百度Apollo發(fā)布2.5版本特意提到這方面的解決方案。

這里分析一下公開發(fā)表的有關(guān)論文，特別是近期的深度學(xué)習(xí)CNN框架，供參考。

其實最早看到3-D BBox的工作是Mobileye以前的CEO Shashua教授給的PPT demo（沒有paper了）：

結(jié)果Tesla和Nvidia全都這么干了，潮流：）。

注：關(guān)于單目鏡頭估計物體的姿態(tài)有不少論文，也是跟這個課題相關(guān)的，一些深度學(xué)習(xí)的方法也不錯，不過不是本文的重點，在此不做重復(fù)介紹。

3D Bounding Boxes for Road Vehicles: A One-Stage, Localization Prioritized Approach using Single Monocular Images，9，2018

來自UC San Diego的論文。簡單講，該方法提出估計center of bottom face of 3D bounding box (CBF) 來解決2-D圖像得到3-D邊框的問題，為加速也采用了LUT。同時估計的還有物體的大小尺寸以及姿態(tài)。

下圖解釋了他們采用key point預(yù)測的方法而不是傳統(tǒng)2-D邊框底邊中心去推理3-D的位置。

這是他們的3-D邊框估計的算法結(jié)構(gòu)：

3D Bounding Box Estimation Using Deep Learning and Geometry，CVPR，2017

該文也是百度Apollo引用的方法：

首先估計物體3-D朝向，然后回歸物體尺寸和3-D中心，最后得到物體的整個姿態(tài)和位置。這是2-D和3-D邊框的對應(yīng)關(guān)系圖：

論文提出一種MultiBin方法求解物體朝向（相鄰bin之間可以重疊一部分），CNN模型如下圖：

朝向的局部和全局的關(guān)系如下所示：

總之，該方法利用了幾何約束從2-D邊框來估計3-D邊框，其中朝向估計很關(guān)鍵。一些結(jié)果見下圖：

Joint Monocular 3D Vehicle Detection and Tracking， 11，2018

該方法是對上面工作的推廣，增加了跟蹤模塊，提高了穩(wěn)定性。

這是算法的流程圖：在RPN預(yù)測3-D中心的2-D投影位置，其中采用ROIalign而不是ROIpool減小了misalignment。每個求解3-D邊框的ROI包括以下幾項：2d Bbox, 3d box 中心投影, confidence score 和 對應(yīng)特征向量。

其他跟蹤部分就不重點提了，下圖是一些結(jié)果展示：

下圖解釋了2-D邊框中心和3-D邊框中心的不同：

Orthographic Feature Transform for Monocular 3D Object Detection，11，2018

本文提出一個orthographic feature transform（OFT）用于解決2-D圖像推理物體3-D邊框的問題，原理如下圖：

在一個深度學(xué)習(xí)框架下，該模塊可以把圖像特征圖映射到正交鳥瞰圖，如下圖所示，輸入到一個top down network進(jìn)行推理。

結(jié)果就不討論了，細(xì)節(jié)在論文里。

Multi-Level Fusion based 3D Object Detection from Monocular Images, CVPR, 2018

這是去年CVPR‘18的論文，下面是算法結(jié)構(gòu): 采用兩步法，加了一個估計深度圖的模型，結(jié)果送入RPN模塊，比較奢侈的做法，后面還將視差圖轉(zhuǎn)換成點云，進(jìn)入detection模塊。

這是他們展示的結(jié)果：

看來大家對單目估計深度圖/視差圖很有信心。

MonoGRNet: A Geometric Reasoning Network for Monocular 3D Object Localization, 11, 2018

微軟的一篇論文，下圖是算法框圖：提出instance depth estimation (IDE)，不是圖像的深度圖，可以直接估計物體3-D邊框的深度，還是采用ROIalign取代ROIpool；包括4個模塊，即2d detection(棕色), instance depth estimation(綠色), 3d location estimation(藍(lán)色) 和 local corner regression(黃色)。

這是估計Instance depth的模型結(jié)構(gòu)：

這個示意圖告訴我們3-D邊框的圖像定位關(guān)系：

Instance depth的概念的解釋如下圖，的確是比較節(jié)儉的做法：

一些結(jié)果展示：

Mono3D++: Monocular 3D Vehicle Detection with Two-Scale 3D Hypotheses and Task Priors, 1, 2019

Face++和UCLA的最新論文，算法框圖見下圖：該方法不光用了深度估計，還借用了路面假設(shè)作為約束；另外，采用morphable wireframe model，不過為避免landmark敏感，對3-D邊框做了模糊表示；除此之外，還有一個模塊叫3D-2D consistency。

這是3D-2D consistency的框圖介紹：包括幾個部分 2D Bounding box，2D Landmark，3D Orientation 和 scale hypotheses。

感覺還是比較奢侈的做法。

CubeSLAM: Monocular 3D Object Detection and SLAM without Prior Models, 6, 2018

從2-D邊框和消失點產(chǎn)生3-D cuboid proposals，隨后在單目視覺SLAM框架中優(yōu)化，如下圖：

這是產(chǎn)生Proposals的方法：根據(jù)可視的面數(shù)目將Cuboids分成3類

下面是SLAM框架：在ORB SLAM基礎(chǔ)上改進(jìn)，加入物體信息。

特征點的相關(guān)性處理方法采用物體點為先，景物點為后，如圖：綠色點是map上的，其他顏色的點屬于物體。

一些結(jié)果展示：

BoxCars: Improving Fine-Grained Recognition of Vehicles using 3D Bounding Boxes in Traffic Surveillance，CVPR，2016

3D 物體邊框是從監(jiān)控視頻 （比車載視頻容易些）的2-D邊框得到的，如圖所示：利用了輪廓信息和姿態(tài)信息。

其實它的方法是把3-D邊框各個面拆開，如圖：然后輸入到CNN模型推理3-D信息。

這個CNN模型用來估計沿著消失點的方向：

結(jié)果是這樣的：

Vehicle Detection and Pose Estimation for Autonomous Driving (Thesis)，2017

一個博士論文。采用FCN模型訓(xùn)練得到2-D和3-D邊框，如圖：定義3-D邊框的3個方向，即front-bottom, left-bottom, front-left。

3D邊框定義如下：8個角點，6個面。

也是路面假設(shè)，這是得到3-D邊框的關(guān)鍵，下面是圖像逆投影公式：

根據(jù)逆投影和路面假設(shè)，可以先得到3-D邊框在路面的位置。下圖是3-D邊框投影到路面的效果：平行四邊形，然后被推理出實際3D邊框底部的正方形。

加上估計的物體高度，就得到3-D邊框。首先，先估算路面，算法如下：

利用前面提到的，bottom-left line 作為frontal plane 的法向量，然后用front-bottom-left 的點計算front plane；找到frontal plane 和逆投影的交點即得到頂點位置，這樣高度就得到了。

一些結(jié)果展示：包括頂視圖

Deep MANTA: A Coarse-to-fine Many-Task Network for joint 2D and 3D vehicle analysis from monocular image，CVPR，2017

MANTA是Many-Tasks的意思。完全通過CNN模型估計多個信息，如圖展示的結(jié)果：檢測, 部件定位, 可視性 和3D尺寸大小。

車輛模型的定義：wireframe模型比較復(fù)雜，不過能推理出遮擋的部件。

定義的車輛模版如圖：這是一個半自動的標(biāo)注工程。

MANTA的系統(tǒng)框圖：CNN模型，region proposal network為先，之后修正兩次，分別是proposal改進(jìn)和2-D邊框估計，最后NMS優(yōu)化和3-D邊框估計。

Monocular 3D Object Detection for Autonomous Driving，CVPR，2016

比較有開拓性的CNN模型做3-D檢測的工作。如圖介紹系統(tǒng)如何產(chǎn)生3-D邊框的proposal：仍然有路面假設(shè)，有各種信息，包括分割，2D邊框，上下文，形狀，位置等等。

采用的CNN模型結(jié)構(gòu)對3-D邊框的proposal打分：

打分的公式是：包括什么提到的各種信息term

結(jié)果展示：

Joint SFM and Detection Cues for Monocular 3D Localization in Road Scenes，CVPR，2015

NEC Lab早些的工作，給出的系統(tǒng)框圖如下：將SFM和檢測結(jié)合起來。

3-D定位物體是有假設(shè)路面的前提，首先看坐標(biāo)系的定義如下圖：

而2-D邊框的底部可以通過路面假設(shè)反投到3-D空間：

下圖是物體的SFM部分：

整個定位輸出如圖這樣：其中右下角頂視圖有激光雷達(dá)ground truth顯示為紅色。

Are Cars Just 3D Boxes? – Jointly Estimating the 3D Shape of Multiple Objects，CVPR，2014

也比較舊的論文，下圖展示該系統(tǒng)通過shape modeling得到更精確的3-D定位：

根據(jù)路面假設(shè)和occlusion mask的3-D景物模型：

產(chǎn)生Scene particles，然后推理最后的deformable shapes，如圖算法：

一些結(jié)果如圖：

Monocular Visual Scene Understanding: Understanding Multi-Object Traffic Scenes，CVPR，2012

更早的論文，系統(tǒng)示意圖如下：有路面假設(shè)的景物模型，有遮擋推理模型，有跟蹤，有分割；HMM做跟蹤算法，MCMC方法做推理。

下圖是路面假設(shè)下的車載坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系：

這里介紹的是車載攝像頭的旋轉(zhuǎn)：

目標(biāo)距離的估計類似Mobileye，如圖：