《A Simple Baseline for BEV Perception Without LiDAR》论文笔记

参考代码：bev_baseline
project page：A Simple Baseline for BEV Perception Without LiDAR

1. 概述

介绍：在这篇文章中提出了一种特别简单但效果不错的bev特征提取方法，也就是通过在构建的bev grid中向图像特征进行反向投影，并在投影点处对图像特征进行双线性插值采样得到图像模态下的bev特征。同时对于lidar和radar这些其它模态的传感器信息输入（若有），直接在编码之后与之前bev特征进行concat操作融合，以此来构建多模态bev特征。除开使用该方式进行bev特征构建之外，文章还仔细分析了在网络训练中batchsize、image augmentation、image resolution等超参数给网络性能带来的影响，并对这些变量做了对应消融实验，可为后续模型训练引入参考。此外，之前radar的结果在bev特征构建过程中是不那么重要的，相比lidar确实差挺多的，但是有好歹聊胜于无。在文章的实验结果中也证实了这些数据都是对bev感知效果提升是有用的。另外，文章的backbone为ResNet-101。

首先对bev特征构建的过程进行回顾，这里作者分析了几种bev构建的方案：

• 1）对网络提取金字塔特征（也就是不同cnn网络不同stage输出特征）通过网络映射实现在不同深度范围上bev特征映射，其方法也就是左上角的图，实现可以参考：pyramid.py；
• 2）将深度信息隐式编码到网络特征图中构建视锥，从而得到bev特征图，以LSS方法为代表，见右上角图；
• 3）将bev特征构建任务转换为width-wise的投影任务，见左下角图；
• 4）首先构建bev grid，并以此作为transformer的queris，从而通过attention的方式得到最后bev特征；

2. 方法设计

2.1 pipeline

文章的方法如下：

输入的是多模态传感器，这些传感器的信息经过编码之后会统一准还到bev特征下，之后这些特征使用concat进行融合，从而得到完整bev特征。在此基础上对bev解码器进行优化，这里在进行bev特征优化之前会对bev特征在Y维度上进行压缩投影，从而将一个4D特征变换为3D特征，方便后续CNN网络运算。那么对于特征优化过程使用一个resnet-18网络构建一个U型结构去refine bev特征，之后通过不同的预测头实现bev预测。

对于构建bev特征的过程文章使用的是投影之后双线性采样的形式，也就是如下图中所示：

2.2 bev投影过程

这部分的核心是较为独立的空间坐标变换操作：

# utils/vox.py#291
def unproject_image_to_mem(self, rgb_camB, pixB_T_camA, camB_T_camA, Z, Y, X, assert_cube=False):
    # rgb_camB is B x C x H x W camera特征
    # pixB_T_camA is B x 4 x 4 到相机坐标到图像坐标——内参
    # pixB_T_camA is B x 4 x 4 世界坐标到相机坐标转换——平移和旋转矩阵

    # rgb lives in B pixel coords
    # we want everything in A memory coords

    # this puts each C-dim pixel in the rgb_camB
    # along a ray in the voxelgrid
    B, C, H, W = list(rgb_camB.shape)

    xyz_memA = utils.basic.gridcloud3d(B, Z, Y, X, norm=False, device=pixB_T_camA.device)  # 构建3D空间网格[B,N,3]

    xyz_camA = self.Mem2Ref(xyz_memA, Z, Y, X, assert_cube=assert_cube)  # 将3D空间点映射到图像对应相机坐标维度

    xyz_camB = utils.geom.apply_4x4(camB_T_camA, xyz_camA)
    z = xyz_camB[:,:,2]

    xyz_pixB = utils.geom.apply_4x4(pixB_T_camA, xyz_camA)  # 相机坐标3D空间点到图像特征的映射
    normalizer = torch.unsqueeze(xyz_pixB[:,:,2], 2)
    EPS=1e-6
    # z = xyz_pixB[:,:,2]
    xy_pixB = xyz_pixB[:,:,:2]/torch.clamp(normalizer, min=EPS)  # 除以深度信息得到XY平面坐标
    # this is B x N x 2
    # this is the (floating point) pixel coordinate of each voxel
    x, y = xy_pixB[:,:,0], xy_pixB[:,:,1]
    # these are B x N

    x_valid = (x>-0.5).bool() & (x<float(W-0.5)).bool()  # 计算投影之后XY平面坐标的有效性
    y_valid = (y>-0.5).bool() & (y<float(H-0.5)).bool()
    z_valid = (z>0.0).bool()
    valid_mem = (x_valid & y_valid & z_valid).reshape(B, 1, Z, Y, X).float()

    if (0):
        # handwritten version
        values = torch.zeros([B, C, Z*Y*X], dtype=torch.float32)
        for b in list(range(B)):
            values[b] = utils.samp.bilinear_sample_single(rgb_camB[b], x_pixB[b], y_pixB[b])
    else:  # 实现在图像特征上双线性插值采样
        # native pytorch version
        y_pixB, x_pixB = utils.basic.normalize_grid2d(y, x, H, W)
        # since we want a 3d output, we need 5d tensors
        z_pixB = torch.zeros_like(x)
        xyz_pixB = torch.stack([x_pixB, y_pixB, z_pixB], axis=2)
        rgb_camB = rgb_camB.unsqueeze(2)
        xyz_pixB = torch.reshape(xyz_pixB, [B, Z, Y, X, 3])
        values = F.grid_sample(rgb_camB, xyz_pixB, align_corners=False)

    values = torch.reshape(values, (B, C, Z, Y, X))  # raw 4D的bev特征
    values = values * valid_mem
    return values

2.3 影响性能的一些方面

2.3.1 数据增广

对于数据增广操作，文章对图片颜色、对比度、模糊这些增广操作进行实验，发现其并不像分类任务中那么有效，甚至会带来负面影响。

2.3.2 输入图像分辨率

对于分辨率并不是呈现单调线型变化关系，文章给出的解释是ResNet-101是在COCO上做过object detection预训练的，其适应了该数据集下的目标尺寸，因而对bev任务在分辨率上存在一定的先验性。

2.3.3 batchsize

从上表中看出batchsize和性能之间存在着单调正向关联，这篇文章的代码中也通过了梯度累加的形式增大batch。

# train_nuscenes.py#L405
for internal_step in range(grad_acc):
    ...

2.3.4 reference camera和camera nums对性能的影响

从上表证实reference camera变换会带来涨点，使用全量camera也能带来涨点。

2.3.5 radar超参数带来的影响

3. 实验结果

vehicle segmentation on nuScenes：

时序与传感器数据类型对性能的影响：