《智能駕駛之激光雷達(dá)算法詳解》9、基于 3D 激光點(diǎn)云的路沿檢測(cè)

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本章聚焦于基于3D激光點(diǎn)云技術(shù)的路沿檢測(cè)，此模塊在后續(xù)的道路結(jié)構(gòu)剖析、行駛區(qū)域界定、路徑策略規(guī)劃及車輛精準(zhǔn)定位中均占據(jù)核心地位。當(dāng)前，路沿檢測(cè)的技術(shù)路徑主要分為兩大陣營(yíng)：一是依托人工精心設(shè)計(jì)的規(guī)則，二是憑借深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的智能識(shí)別。
        人工規(guī)則驅(qū)動(dòng)的路沿檢測(cè)：在激光雷達(dá)應(yīng)用的初期探索階段，路沿檢測(cè)主要依賴人工定義的規(guī)則。這一過程細(xì)致劃分為四個(gè)關(guān)鍵步驟：特征點(diǎn)的精準(zhǔn)捕捉、左右兩側(cè)特征點(diǎn)的科學(xué)分類、噪聲點(diǎn)的有效剔除以及路沿輪廓的精準(zhǔn)擬合。為了提升路沿檢測(cè)的穩(wěn)定性，減少幀間波動(dòng)，研究者們巧妙運(yùn)用了多幀點(diǎn)云的累加技術(shù)，并引入了濾波與跟蹤機(jī)制以優(yōu)化擬合曲線的參數(shù)。這些算法的核心在于利用預(yù)設(shè)的幾何規(guī)律來鎖定路沿特征點(diǎn)，如S.Peng和K.等人通過分析激光點(diǎn)間的高度差與坡度變化，A.Y.Hr等則著眼于線束間激光點(diǎn)的空間關(guān)系，而Y.Zhang等則創(chuàng)新性地結(jié)合了激光雷達(dá)的特定參數(shù)。在特征點(diǎn)分類環(huán)節(jié)，左右路沿的準(zhǔn)確區(qū)分對(duì)于提升擬合精度至關(guān)重要。D.Zai等利用超體素與車輛行駛軌跡的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了特征點(diǎn)的左右分類；S.XuP則提出了least-cost path模型，盡管需手動(dòng)設(shè)定參考點(diǎn)，限制了其實(shí)時(shí)性。而基于聚類的方法雖能自動(dòng)分類，但計(jì)算復(fù)雜度較高。Y.ZhangJ提出的雙層波束模型，通過識(shí)別道路走向與交叉口，有效提升了分類效率，并被G.Wang等進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)用。
        噪聲過濾與曲線擬合：為確保路沿曲線的準(zhǔn)確性，需對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行噪聲過濾。常用的方法包括基于橫向距離或RANSAC算法的篩選，隨后利用Kalman濾波或粒子濾波技術(shù)對(duì)擬合曲線進(jìn)行平滑處理。此外，高斯過程回歸以其強(qiáng)大的抗噪能力和優(yōu)異的曲線擬合性能，在參考文獻(xiàn)[1]和[7]中得到了成功應(yīng)用，為路沿曲線的精確表達(dá)提供了新思路。
        傳統(tǒng)基于人工規(guī)則的路沿檢測(cè)方法，受限于固定的特征點(diǎn)提取與參數(shù)設(shè)定，難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的真實(shí)駕駛環(huán)境與多樣的路沿形態(tài)，難以滿足現(xiàn)代感知系統(tǒng)對(duì)精準(zhǔn)度與靈活性的追求。其繁瑣的多步驟流程更是制約了算法的實(shí)時(shí)性能。然而，隨著深度學(xué)習(xí)在視覺與激光技術(shù)中的蓬勃興起，一場(chǎng)路沿檢測(cè)的革命正悄然發(fā)生。學(xué)者們紛紛探索深度學(xué)習(xí)的力量，旨在通過3D激光點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)路沿檢測(cè)的端到端解決方案。Uber的J. Lian團(tuán)隊(duì)在2019年CVPR會(huì)議上提出的卷積遞歸網(wǎng)絡(luò)，便是這一領(lǐng)域的璀璨明珠，它巧妙融合高精度地圖中的點(diǎn)云與圖像信息，實(shí)現(xiàn)了路沿檢測(cè)的自動(dòng)化與智能化。
        基于人工規(guī)則的 SAT-LRBD 算法：吉林大學(xué)的G.Wang團(tuán)隊(duì)，融合多重路沿特征點(diǎn)萃取規(guī)則與噪聲點(diǎn)剔除技術(shù)，創(chuàng)新性地提出了SAT-LRBD算法，即一種在激光雷達(dá)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，兼顧速度與精度的道路邊界檢測(cè)方案。此算法在遵循人工規(guī)則的路沿檢測(cè)方法中脫穎而出，展現(xiàn)出卓越的檢測(cè)精準(zhǔn)度。在ITTI數(shù)據(jù)集上的測(cè)試中，SAT-LRBD每幀激光點(diǎn)云的處理時(shí)間僅需70.5毫秒，高效而迅速。SAT-LRBD算法精準(zhǔn)執(zhí)行3D激光點(diǎn)云的初步分割任務(wù)，將復(fù)雜點(diǎn)云數(shù)據(jù)巧妙地劃分為地面點(diǎn)集（nd）與非地面點(diǎn)集（off-ground），為后續(xù)處理奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在此算法框架內(nèi)，地面點(diǎn)集特別貢獻(xiàn)于路沿候選特征點(diǎn)的甄選，而非地面點(diǎn)集則作為重要輔助，深化對(duì)道路結(jié)構(gòu)的洞察，包括十字路口布局、路段識(shí)別的精準(zhǔn)解析。整個(gè)流程精心劃分為三大環(huán)節(jié)：第一步，依據(jù)預(yù)設(shè)的幾何特征參數(shù)，從地面點(diǎn)集中精準(zhǔn)提煉出路特征點(diǎn)；第二步，巧妙運(yùn)用道路分割線技術(shù)，結(jié)合非地面點(diǎn)集信息，深化對(duì)道路架構(gòu)的理解，并輔助實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的邊界劃分；第三步，融合距離濾波、RANSAC算法與迭代高斯過程，對(duì)結(jié)果進(jìn)行精細(xì)打磨，確保最終輸出既精確又高效。
        U-AFCD算法：Y Jung及其團(tuán)隊(duì)在首爾大學(xué)研發(fā)的Uncertainty-Aware Fast CutDetection (U-AFCD) 算法，在ICRA 2021會(huì)議上大放異彩。該算法深度融合了深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，專注于路沿檢測(cè)及其不確定性評(píng)估。Jung團(tuán)隊(duì)慷慨分享了精心構(gòu)建的路沿?cái)?shù)據(jù)集，位于GitHub上的YounghwaJungcurbdetecton DNN，供全球研究者共同探索。此數(shù)據(jù)集源自城區(qū)復(fù)雜環(huán)境的精心采集，利用Velodyne VLP-32C激光雷達(dá)與OXTS RT3002定位系統(tǒng)，共收集到詳盡的5224%點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并附帶了鳥瞰視角下的精準(zhǔn)路沿分割標(biāo)注。U-AFCD算法的設(shè)計(jì)精妙，核心分為兩大階段：編碼-解碼分割網(wǎng)絡(luò)，該階段如同精密的篩子，精準(zhǔn)分離出視野內(nèi)清晰可見的路沿點(diǎn)云，為后續(xù)處理奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；引入前沿的條件神經(jīng)過程（Conditional Neural Process, CNP），此階段如同智慧的偵探，不僅推測(cè)出被遮擋、不可見區(qū)域的路沿輪廓，還巧妙地評(píng)估了整個(gè)檢測(cè)過程的不確定性，為用戶提供更加全面、可靠的決策支持。
        深入研究了U-AFCD算法，該算法依托神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在路沿分割與推斷領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。它巧妙運(yùn)用U-Net網(wǎng)絡(luò)，精準(zhǔn)分割點(diǎn)云數(shù)據(jù)，初步勾勒出可見路沿輪廓。進(jìn)而，該算法融合CNP、ANP等先進(jìn)模型，不僅彌補(bǔ)了被遮擋、不可見路沿的空白，還巧妙評(píng)估了整體檢測(cè)結(jié)果的置信度。盡管在實(shí)時(shí)性優(yōu)化上尚有空間，但其開創(chuàng)性地采用CNP、ANP替代傳統(tǒng)高斯過程回歸或多項(xiàng)式擬合，為路沿檢測(cè)問題提供了新穎視角，極具探索價(jià)值。
        本章詳盡剖析了路沿檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，將其歸結(jié)為兩大流派：一是依賴人工規(guī)則的檢測(cè)方法，雖在早期激光感知研究中占據(jù)主流，卻面臨調(diào)參繁瑣、場(chǎng)景適應(yīng)性差等瓶頸；二是依托深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法，特別是針對(duì)1D激光點(diǎn)云的應(yīng)用，近年來備受矚目。然而，點(diǎn)云級(jí)路沿標(biāo)注數(shù)據(jù)集的匱乏，成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵因素。當(dāng)前研究多采取折衷方案，即將3D激光點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為BEV投影，再利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行分割或車道線檢測(cè)�；�于3D激光點(diǎn)云的路沿檢測(cè)仍是一個(gè)亟待攻克的研究難題，亟需工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的共同努力與智慧碰撞。


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