基于知识蒸馏的车辆可行驶区域分割算法研究

基于知识蒸馏的车辆可行驶区域分割算法研究

期刊:汽车技术

时间:2020

研究院:同济大学

关键词:知识蒸馏可行驶区域图像分割卷积神经网络

前言

2014 年 ,Long J[1] 等人提出使用全卷积神经网络 (Fully Convolutional Networks,FCN)对图像进行语义分割,这是卷积神经网络在图像分割领域的首次成功应用

Olaf Ronneberger[2]等人提出一种用于医疗图像分割的 U 形网络 U-net,该方法最大的贡献在于提出了将图像编码与解码进行融合的思想

2018 年,何恺明[3]从另一个角度对图片进行语义分割,提出掩膜区域卷积神经网络(Mask Region-based Convolutional Neural Network, Mask R-CNN)模型

DeepLabV3+分割网络

图 2a 为 DeepLabV3 的空间金字塔池化网络结构,该结构使用串行结构进行编码,将原图压缩为 1/8 的特征图后再使用空间金字塔池化结构丰富特征,然后将 8 倍的上采样映射回原图。这种结构忽略了浅层的特征信息,分割的损失比较大。图 2b 为典型的编码解码结构,可以将浅层信息与深层信息充分融合,但是这种方法使得网络结构更加复杂,难以实现。因此,DeepLabV3+将两者的优点进行结合,提出基于空间金字塔池化的编码解码语义分割网络结构,如图 2c 所示。

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本文使用 Resnet18 网络[13] 作为 DeepLabV3+ 的主干网络。Resnet18 网络首先使用 1 个卷积层和 1 个池化层将图片缩小,得到原图的 1/4 特征图,然后经过多个残差块不断对图片的特征进行处理,最后得到原图 1/32 大小的特征图,再使用全连接层以及 Softmax 等处理工具进行分类。本文使用该网络作为 DeepLabV3+ 的主干网络,同时去除主干网络中最后一个缩小特征图的层,输出为原图 1/16 的特征图。所构建的网络具体结构如图 3 所示,一条特征输出支路取 Resnet18 的 Block3 输出的特征图作为编码的特征图,之后使用 1 个 1×1 的普通卷积和 3 个 3×3 的带孔卷积进行特征提取。 其中,3 个带孔卷积的扩张率不同,这样提取出特征的感受野不同,使得输出特征的丰富性大幅增加。再将这些特征直接拼接,并使用 1×1 卷积将特征进行融合, 融合后使用 4 倍的反卷积将特征图映射至原图的 1/4 大小。另一条支路上,直接提取 Resnet18 中 Block1 输出的 1/4 特征图,这一特征图尺寸与第 1 条支路的特征图尺寸相同,将 2 条支路输出的特征图进行拼接,组成一个特征图。这一特征图结合了主干特征提取网络的深层网络和浅层网络,使网络得到的图片特征更加丰富。 然后使用 3×3 的网络将 2 个特征融合,最后使用 4 倍的反卷积,将该特征图映射回原图大小,进行像素级语义分割。

<think>嗯,用户的问题是关于车道线识别和障碍物检测的技术资料或实现方法,特别是自动驾驶和计算机视觉领域。首先,我需要理解用户的需求。他们可能是在开发自动驾驶系统,或者进行相关研究,需要了解当前的技术方案和算法。 先看看用户提供的引用资料。引用1提到YOLOP模型用于车辆检测、可行驶区域和车道线分割,这应该是一个综合模型。引用2讨论了道路识别,包括检测和追踪,提到了单目和双目视觉系统。引用3和4则涉及车道线识别、目标跟踪以及YOLO的应用。这些引用都是关于计算机视觉在自动驾驶中的应用,特别是车道线和障碍物检测。 接下来,用户可能需要具体的实现步骤或算法选择。车道线识别常用的方法有传统图像处理,比如边缘检测和霍夫变换,但深度学习方法如LaneNet、SCNN可能更高效。障碍物检测方面,YOLO系列、Faster R-CNN等目标检测模型是主流。此外,可行驶区域检测(Freespace)通常用分割模型,如UNet或DeepLab。 用户可能还想知道如何集成这些模块,比如多任务学习模型,例如YOLOP,可以同时处理检测、分割和车道线识别,提高效率。另外,传感器融合(摄像头、激光雷达)也是一个关键点,但用户的问题主要集中在视觉方案上。 还需要考虑实时性,因为自动驾驶系统需要快速处理数据。YOLO系列在这方面有优势。此外,数据增强和合成数据可能对训练模型有帮助,尤其是在不同天气或光照条件下的鲁棒性。 可能用户没有明确提到的是具体的技术栈或硬件限制,比如是否使用GPU,或者是否需要嵌入式部署。但根据引用中的信息,YOLOP和YOLOv5都是可行的选择,因为它们兼顾速度和准确性。 最后,生成相关问题时要覆盖算法选择、优化、挑战、多传感器融合以及实际应用中的问题,帮助用户进一步探索。</think>### 车道线识别与障碍物检测技术方案 #### 一、车道线识别技术 1. **传统图像处理方法** - 通过边缘检测(如Canny算子)提取车道线候选区域,再结合霍夫变换或滑动窗口法进行车道线拟合[^3] - 利用颜色空间变换(如HSV/Lab)增强车道线与路面对比度 ```python # 示例:Canny边缘检测 edges = cv2.Canny(gray_img, threshold1=50, threshold2=150) ``` 2. **深度学习模型** - **LaneNet**:基于编码器-解码器结构的语义分割网络,输出车道线二值图[^3] - **SCNN**(Spatial CNN):通过横向传播特征增强车道线连续性 - **YOLOP**:多任务模型,可同时输出车道线分割、目标检测和可行驶区域结果[^4] $$ \text{模型输出} = f_{\text{YOLOP}}(I) = (B_{\text{obj}}, S_{\text{lane}}, M_{\text{freespace}}) $$ #### 二、障碍物检测技术 1. **目标检测算法** - **YOLO系列**:YOLOv5/YOLOv8实现实时检测,平衡速度与精度[^1] - **Faster R-CNN**:两阶段检测器,适合高精度需求场景 - **BEV(鸟瞰图)检测**:通过IPM变换提升障碍物定位精度 2. **传感器融合方案** - 摄像头与激光雷达数据融合:利用点云数据增强障碍物三维定位能力[^1] - 毫米波雷达辅助验证:解决纯视觉方案在恶劣天气下的可靠性问题 #### 三、实现方案整合 ```mermaid graph TD A[传感器数据] --> B(预处理) B --> C{多任务模型} C --> D[车道线分割] C --> E[障碍物检测] C --> F[可行驶区域分割] D --> G[车道保持] E --> H[碰撞预警] F --> I[路径规划] ``` #### 四、关键挑战与解决方案 1. **复杂场景处理** - 使用数据增强(雨雪雾模拟、光照变化)提升模型鲁棒性 - 引入注意力机制(如CBAM)强化关键特征提取 2. **实时性要求** - 模型轻量化:通道剪枝 + 知识蒸馏 - TensorRT加速推理:FP16量化部署[^4] 3. **多任务协同** - 共享主干网络设计(如YOLOP的Encoder-Decoder结构) - 损失函数加权:$$ L_{\text{total}} = \alpha L_{\text{det}} + \beta L_{\text{seg}} + \gamma L_{\text{drivable}} $$
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