CNN在自动驾驶中的不同结构

古城微笑少年丶 2022-02-22 04:45 223阅读 0赞

# 1. 引入 #

真实的驾驶场景，是根据一些测量值，来预测汽车的油门、刹车、方向盘角度的过程。这些测量值可能包括：汽车速度，加速度，转向角，GPS坐标，陀螺仪角度等值，当然也少不了摄像机拍摄的车辆前方的图像。这其中CNN最擅长做的，是图像数据的处理，包括物体识别（行人，车辆，车道，交通标志），也包括回归（方向盘角度预测）。

自动驾驶领域另CNN大放光彩的，是Intel发布的一篇paper\[1\]：End to End Learning for Self-Driving Cars。下面本文会从这篇paper开始，讲解`End to End Self-Driving`与其他自动驾驶方法的不同，paper中的重要思想，以及业界针对这个话题的其他创新，和不同的CNN结构。这些巧妙的CNN结构，能帮助我们扩宽视野，发现CNN的美妙。

# 2. End to End Self-Driving #

传统的自动驾驶，是分为感知、检测、决策控制、赛道识别等等多个步骤，并且传统自动驾驶需要综合考虑汽车速度，加速度，转向角，GPS坐标，陀螺仪角度等测量值，最终才能做决策（控制方向盘角度和油门）。

`End to End Self-Driving`的测量值只有一个，就是车辆前方的图像；输出值也只有一个，就是方向盘角度。整个过程如下图所示：

![在这里插入图片描述][20190408221619324.png]

从图中可以看到，相比于传统自动驾驶方法，`End to End Self-Driving`的输入量、输出量都减少了，整个驾驶过程也简化了很多。那问题来了，是什么样的CNN结构具有能预测角度的魔力呢？paper\[1\]中也给出了这个CNN的详细结构

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3liZGVzaXJl_size_16_color_FFFFFF_t_70]

这是一个含有5个C层的CNN：输入图像是一个3通道的彩色图像，图像像素值首先会被归一化为0~1之间的数值；然后通过5个C层，1个全连接层的作用后，输出方向盘角度值，这是一个回归问题。业界把这个CNN网络称为`nvidia net`，对`nvidia net`代码实现感兴趣的，\[2\]这里有一个该网络的keras代码实现开源项目（这个项目中作者也对`nvidia net`的参数进行也改进）。

# 3. 数据增强（Augmentation） #

在`End to End Self-Driving`任务中，我们有了CNN网络，那怎么对预测结果进行提高呢？除了模型超参数调优，数据增强`Augmentation`也是很重要的一个手段。`Augmentation`是利用图像预处理等手段，扩充/改变训练集，从而使模型“见多识广”。

paper\[1\]中的`Augmentation`，对图像经过了平移、旋转的方法来扩充训练集。根据笔者的理解，向上平移相当于模拟上坡场景，向下平移相当于模拟下坡；向左向右偏移后，汽车的转角也应做相应的增加；偏移后图像中产生的空白部分，可用图像的平均像素值代替。

以上就是paper\[1\]的方法，下面我们讲实现`End to End Self-Driving`的其它方法。

# 4. 角度预测场景中的其他CNN #

关于`End to End Self-Driving`中的方向盘角度预测，Udacity曾经搞过一个比赛\[3\]，就是通过车辆驾驶前方的图像，来预测方向盘角度。

这里\[4\]也给出了Udacity这个比赛的排名，\[5\]这里给出了部分模型的源代码。通过学习这些准确率高的模型，我们可以看到更多CNN的精彩用法。

autumn\[6\]的模型是将图像格式RGB转换为YUV，使用了边缘检测和霍夫变换，以及更深层的CNN（在\[6\]中也可以看到他的CNN结构代码）。

cg23\[7\]的模型是基于`nvidia net`，用 k-fold cross validation做了交叉验证，还对图像做了剪切（去掉图像上半部分天空），以及图像resize（减小分辨率）。

rambo\[8\]做的CNN模型比较有新意，具体如下所示

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3liZGVzaXJl_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

这个模型由3个CNN模型集成而成，图中每行是一个CNN。模型的输入为连续三幅图像（灰度图）的差分，输出为3个模型各自预测值的均值。

# 5. 总结 #

讲述了自动驾驶方法中，`End to End Self-Driving`方法如何运用CNN实现方向盘角度预测，了解了CNN在自动驾驶领域的威力。注意自动驾驶是一个需要考虑很多综合因素的过程，单纯的`End to End Self-Driving`不足以完成自动驾驶，因为真实的自动驾驶还需要考虑行人、交通规则、雨雪雾天等很多因素。

# 6. 参考 #

*  \[1\] [https://images.nvidia.com/content/tegra/automotive/images/2016/solutions/pdf/end-to-end-dl-using-px.pdf][https_images.nvidia.com_content_tegra_automotive_images_2016_solutions_pdf_end-to-end-dl-using-px.pdf]
 *  \[2\] [https://github.com/hayoung-kim/BehavioralCloning-for-Self-Driving-Keras/blob/master/model.py\#L201][https_github.com_hayoung-kim_BehavioralCloning-for-Self-Driving-Keras_blob_master_model.py_L201]
 *  \[3\] [https://github.com/udacity/self-driving-car][https_github.com_udacity_self-driving-car]
 *  \[4\] [https://github.com/udacity/self-driving-car/tree/master/challenges/challenge-2][https_github.com_udacity_self-driving-car_tree_master_challenges_challenge-2]
 *  \[5\] [https://github.com/udacity/self-driving-car/tree/master/steering-models/community-models][https_github.com_udacity_self-driving-car_tree_master_steering-models_community-models]
 *  \[6\] [https://github.com/udacity/self-driving-car/tree/master/steering-models/community-models/autumn][https_github.com_udacity_self-driving-car_tree_master_steering-models_community-models_autumn]
 *  \[7\] [https://github.com/udacity/self-driving-car/tree/master/steering-models/community-models/cg23][https_github.com_udacity_self-driving-car_tree_master_steering-models_community-models_cg23]
 *  \[8\] [https://github.com/udacity/self-driving-car/tree/master/steering-models/community-models/rambo][https_github.com_udacity_self-driving-car_tree_master_steering-models_community-models_rambo]
 *  \[9\] [https://arxiv.org/pdf/1708.08559.pdf][https_arxiv.org_pdf_1708.08559.pdf]

[20190408221619324.png]: /images/20220222/10b6e689985341fa992dbf4b20340ed5.png
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[https_images.nvidia.com_content_tegra_automotive_images_2016_solutions_pdf_end-to-end-dl-using-px.pdf]: https://images.nvidia.com/content/tegra/automotive/images/2016/solutions/pdf/end-to-end-dl-using-px.pdf
[https_github.com_hayoung-kim_BehavioralCloning-for-Self-Driving-Keras_blob_master_model.py_L201]: https://github.com/hayoung-kim/BehavioralCloning-for-Self-Driving-Keras/blob/master/model.py#L201
[https_github.com_udacity_self-driving-car]: https://github.com/udacity/self-driving-car
[https_github.com_udacity_self-driving-car_tree_master_challenges_challenge-2]: https://github.com/udacity/self-driving-car/tree/master/challenges/challenge-2
[https_github.com_udacity_self-driving-car_tree_master_steering-models_community-models]: https://github.com/udacity/self-driving-car/tree/master/steering-models/community-models
[https_github.com_udacity_self-driving-car_tree_master_steering-models_community-models_autumn]: https://github.com/udacity/self-driving-car/tree/master/steering-models/community-models/autumn
[https_github.com_udacity_self-driving-car_tree_master_steering-models_community-models_cg23]: https://github.com/udacity/self-driving-car/tree/master/steering-models/community-models/cg23
[https_github.com_udacity_self-driving-car_tree_master_steering-models_community-models_rambo]: https://github.com/udacity/self-driving-car/tree/master/steering-models/community-models/rambo
[https_arxiv.org_pdf_1708.08559.pdf]: https://arxiv.org/pdf/1708.08559.pdf