从零开始的无人驾驶 1

小灰灰 2022-03-07 13:14 296阅读 0赞

# Lanes Finding with Computer Vision #

利用计算机视觉进行道路检测，一般包括6部分：摄像头校正(camera calibration)、图像失真校正(distortion correction)、色彩/梯度二值化(color/gradient threshold)、视角转换 Perspective transform 、行道线检测(Detect lane lines)、 道路弯度测量(Determine the lane curvature)

### Calibration 校正 ###

首先要对失真的程度进行测量，然后根据measurement的结果进行undistort

![166c411774ca300b?w=1280&h=720&f=png&s=190076][166c411774ca300b_w_1280_h_720_f_png_s_190076]  
这个东西叫做chessboard pattern, 用的时候从不同的角度拍这个chessboard，利用的是每个方块的corner去校正 (图像要记得转成灰度图)  
![squares.svg][]  
得到的结果其实只跟拍照的相机有关。对于每个的镜头，要单独做一遍这种校正。

### Distorition 图像失真 ###

理论上，只要不是针孔摄像机，基本都会存在图像失真的问题（透镜成像更快点，针孔相机这点上比不了）  
![squares.svg][]  
图像失真会影响到道路检测（将直线判断成曲线），车辆检测（用CNN检测的时候，识别出来的车比实际更大或者更小）  
![squares.svg][]  
![squares.svg][]

由透镜引起的失真主要是两个:

*  **径向畸变(Radial Distortion)**  
    原因是光线穿过透镜的边缘时发生的偏转大于穿过中心发生的偏转

![squares.svg][]

*  **切线畸变(Tangential Distortion)**

原因是光线穿过透镜之后并没有垂直打在成像平面上  
![squares.svg][]

### ROI (Region of Interest) ###

道路检测要先从摄像头视角获取道路信息，然后选取**ROI(目标区域)**, 包括选颜色和选区域。

选颜色比较接近直觉, 路上的线也就两种颜色，要么白线，要么黄线。  
白线其实比较好找  
![color selection][squares.svg]

但是黄线的话就不能直接用原图了。要先把原图分成RGB三层  
![yellow line][squares.svg]

而黄色的线在蓝色那层是看不到的  
![RGB][squares.svg]  
（因为是互补色）  
![光的三原色][squares.svg]

选区域是可以直接利用CV解决的问题。  
  
从车头视角向前看，大部分像素都是没有用的。尤其是天空的部分。对于自动驾驶来说差不多等价于干扰信号，基本上可以直接过滤掉  
![车头视角][squares.svg]  
![区域选择][squares.svg]

### Color Space 色彩空间 ###

在RGB色彩空间（以RGB建立三维空间）中，白色是由红绿蓝三种颜色的最大值组成的。  
![squares.svg][]  
因此想获得白线，可以通过设置RGB值的阈值  
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但是这种情况下，会丢失黄线的信息。一般的处理方式是使用别的色彩空间，比如HSV, HLS, LUV...  
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其中HSV（色相、饱和度、明度）和HLS（色相、亮度、饱和度）使用最多

### HLS (hue, saturation, lightness) ###

也叫HSL，甚至叫HSL的还更多点。  
![squares.svg][]  
其实图像本身在光亮条件下变化最大，HS信道一般倒是不怎么变。所以我们把图像按照HSL拆分，在S信道下黄线非常明显  
![squares.svg][]

### Canny Edge Detection ###

下一步是使用边缘检测算法寻找边线。如果我们把视图当成一张灰度图来看待，那么每一条边其实都在明暗块交替的位置  
![squares.svg][]  
通过计算亮度的变化，可以把原图转化成一张梯度图  
![squares.svg][]  
然后再将结果锐化，得到亮度数值变化最大的像素点  
![squares.svg][]

实际上，在做Canny算法之前，要对图像做**高斯平滑(Gaussian smoothing / Gaussian Blur)** ，消除噪声和伪梯度点

#### (题外话) Sobel Operator 索伯算子 ####

首先，为什么卷积神经网络会有卷积(convolution)这种操作…  
  
看完Sobel算子总算懂了，卷积这种运算讲究的是一个信号叠加。相比于Canny边缘检测，Sobel边缘检测其实更容易理解（然而还是Canny效果好）。

### Hough Transform 霍夫变化 ###

Hough Transform是图像变化中的经典算法，主要用来寻找图像中符合某种特征的集合，说白了就是检测直线、圆、椭圆。  
  
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Hough变化要将笛卡尔坐标下的点变化到霍夫极坐标系，原来的点共线问题会由此转化计算成曲面在极坐标下的共点，效果上就是该算法对边缘间断不敏感。大致上是这个意思，实际操作的时候是统计累加空间里的局部最大值（峰值），以该峰值作为结果（所以说抗噪能力还是很强的）。  
![squares.svg][]

总结一下就是：  
  
原图 -> 灰度图 -> 边缘检测 -> 直线检测 -> 过滤掉斜率过低的直线 -> 将最后结果叠加回原图

![原图][squares.svg]

![灰度图&边缘检测][squares.svg]

![最后结果叠加回原图][squares.svg]

### Perspective Transform ###

由于Perspective的存在，2D图像存在近大远小的现象  
![squares.svg][]  
这样会导致原本平行的行道线，出现汇聚的趋势  
![squares.svg][]  
因此需要把视角转换成俯视  
![squares.svg][]  
将行道线还原到平行  
![squares.svg][]

### Lane Curvature ###

解决道路弯曲(Lane Curvature)问题，实际上比较复杂。先要依次校正原图  
![lc][squares.svg]  
选取ROI  
![squares.svg][]  
然后要进行**视角转换(Perspective Transform)**  
![squares.svg][]  
最后根据俯视图(Top-down view) 用二次函数拟合行道线  
![squares.svg][]

### Sliding windows 滑动窗口 ###

在检测弧线的过程中，首先在图像底部选取一小段，在垂直方向做直方图  
![squares.svg][]  
将顶点连接，变成峰值图  
![squares.svg][]  
出现峰值的地方是行道线的位置  
![squares.svg][]  
以此为起点，使用逐步向上移动，每次处理一小段图像  
![squares.svg][]  
这种检测模式叫做滑动窗口  
![squares.svg][]  
一旦拥有了第一帧的行道线位置，在随后的检测中可以利用边缘检测 + ROI 的方式获得之后的行道线  
![squares.svg][]

得到道路的二次函数并没有用，从驾驶的角度来看，真正需要的是当前的转弯弧度。所以需要求出图片组的曲率半径(radius of curvature)，在对应计算出现实中的曲率半径  
![squares.svg][]

### 最后 ###

还有一些小的细节，包括Offset, Sanity Check, Look-Ahead Filter, etc. 懒得讲

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# Vehicle Detection 车辆检测 #

在 **CNN (Convolutional Neural Networks 卷积神经网络)** 普遍运用之前，车辆检测是通过使用条件随机场或者SVM(支持向量机)来实现的。操作上分为两步，先是从图像上提取特征，然后基于特征建立模型，判断车辆位置。

### template matching 模板匹配 ###

对于图像上的每一块颜色，计算与背景图的distance  
![squares.svg][]

甚至更硬核一点，直接把各种可能的车辆图片存起来，然后跟相机视角的图片进行比较  
![squares.svg][]  
![squares.svg][]

这类解决方案统称 **template matching**  
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### Color Histogram ###

template matching的缺陷也很明显，对于没有预存过的模板，自然无从识别。因此出现了 Color Histogram方案  
![squares.svg][]  
将车辆的模板转换成颜色直方图，运算时比较目标物体与预存直方图的相似度。优点是同一个物体在不同角度仍可识别。比如对于一辆红色的车，从不同方向看过去，模板匹配无法很好地识别，而利用Color Histogram则不受影响。

### HOG ###

Histogram of Oriented Gradients (定向梯度直方图), 相比于之前的特征，HOG特征更加健壮，并且无视颜色的影响。

操作的时候，首先捕捉图像的轮廓与纹理信息  
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然后将图像划分为多个cell。对每个cell计算梯度方向  
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统计每个cell的局部直方图  
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将结果归一化，得到的主方向将成为局部特征梯度方向  
![squares.svg][]  
汇总每个cell得到的局部信息，就可以得到HOG特征  
![squares.svg][]

### Features Combination ###

首先是数据预处理，这里主要是进行特征组合。

比如HOG特征是针对**梯度信息**的特征，HSV特征则是针对**颜色信息**的特征  
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可以直接将二者拼接，得到**颜色+梯度**的组合信息  
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这里面有一些要注意的地方，一般多个特征拥有不同的模量，所以数字上相差很大  
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那么就需要进行正则化，将数据对齐  
![squares.svg][]  
还可以利用决策树等方法，舍弃影响不大的变量  
![squares.svg][]

### Sliding Windows ###

使用滑动窗口进行车辆检测，在这种场景下有一些机巧

首先还是ROI, 车辆其实只会出现在图片的下半块区域  
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其次可以预先设定好车辆可能的最大宽度和最小宽度  
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这样在检测时进行有限的multi-scale window  
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减小搜索空间  
![squares.svg][]

### Multiple Detection ###

最后对于同一车辆的Multiple Detection  
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建立**heat-map**，计算中心位置  
![squares.svg][]  
![squares.svg][]

### Build Model & Tracking ###

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模型的选取倒是比较简单，SVM, Decision Tree, Nerual Network, etc. 这些都是常见的选择  
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针对每一帧图像，检测车辆位置，形成连续追踪  
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# Behavior Cloning 行为克隆 #

使用神经网络进行无人驾驶的理论基础来源于Imitation Learning (模仿学习)。行为克隆算是Imitation Learning的一种。思路倒是很简单，将人类驾驶作为基础数据全部收集下来，然后让神经网络去拟合数据。目前Tesla主要采用的就是Behavior Cloning.

这类端到端的解决方案基本上是一个路子，优点：简单且有效，缺点：受限于收集的数据。因为训练集总是有限的，如果出现了神经网络之前没见过的数据，那么效果就会很差。

一个比较经典的条件是天气，下雨天的路面跟晴天的路面不一样，有雾的天气下道路能见度也会对摄像头收集的数据有很大影响。

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原发布于掘金。2019年初迁移至思否

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