无人驾驶环境感知 | 01 车道线检测网络LanNet原理及实现

以你之姓@ 2022-12-06 15:48 295阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   一、LaneNet 算法详解
     *   *   1.1 LaneNet 简介
         *  1.2 整体结构分析
         *  1.3 LaneNet 网络结构
         *  1.4 H-Net 网络结构
         *  1.5 LaneNet 性能优点
     *  二、手把手带你实现 LaneNet
     *   *  2.1 项目介绍
         *  2.2 环境搭建
         *  2.3 准备工作
         *  2.4 模型测试
     *   1024，祝大家节日快乐！喜欢就给我点个赞吧，您的支持是我创作的最大动力！

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![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

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**资源汇总：**

论文下载地址：[https://arxiv.org/abs/1802.05591][https_arxiv.org_abs_1802.05591]  
github项目地址：[https://github.com/MaybeShewill-CV/lanenet-lane-detection][https_github.com_MaybeShewill-CV_lanenet-lane-detection]  
LanNet论文翻译：[车道线检测网络之LaneNet][LaneNet]

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![在这里插入图片描述][20210304224840532.jpg_pic_center]

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##  一、LaneNet 算法详解 ##

###  1.1 LaneNet 简介 ###

**传统的车道线检测方法**依赖于手工提取的特征来识别，如颜色的特征、结构张量、轮廓等，这些特征还可能与霍夫变换、各种算子或卡尔曼滤波器相结合。在识别车道线之后，采用后处理技术来过滤错误检测并将其分组在一起以形成最终车道。然而，由于道路场景的变化，这些传统的方法容易出现鲁棒性问题！

**更新的方法**利用深度学习模型，这些模型被训练用于像素级车道分割。但这些方法仅限于检测预定义的固定数量的车道，例如当前车道，并且不能应对车道改变。

基于此，2018年Davy Neven等人提出一种新的车道线检测网络LaneNet，LaneNet主要做出了如下**两个贡献**：

*  将车道检测问题归结为一个实例分割问题，其中每条车道都形成了自己的实例，可以端到端地进行训练。
 *  构建了一个新的网络H-Net，用于学习给定输入图像的透视变换参数，该透视变换能够对坡度道路上的车道线进行良好地拟合，克服了鲁棒性不好的问题。

### 1.2 整体结构分析 ###

作者提出了一个多分支的网络结构，包含一个二值化分割网络(lane segmentation)和一个实例分割网络(lane embedding)，从而实现端到端、任意数量的车道线检测。具体来说，二值分割网络输出所有的车道线像素，而实例分割网络将输出的车道线像素分配到不同的车道线实例中。整体的网络结构图如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
另一方面，数据集输入到H-Net网络中，学习到透视变换参数H矩阵。用于不同车道线实例的像素，进行车道线拟合，从而得到上图所示连续点状的车道线。

### 1.3 LaneNet 网络结构 ###

LaneNet的整体网络结构如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
**二值化分割网络**

Lanenet的一个分支为二值化分割网络，该网络将车道线像素与背景区分开。由于目标类别是2类（车道/背景)，并且高度不平衡，因此参考了ENet，损失函数使用的是标准的**交叉熵损失函数**。

**实例分割网络**

该分支网络参考了《Semantic Instance Segmentation with a Discriminative Loss Function》，使用基于one-shot的方法做距离度量学习，将该方法集成在标准的前馈神经网络中，可用于实时处理。该分支网络训练后输出一个车道线像素点距离，基于归属同一车道的像素点距离近，不同车道线像素点距离远的基本思想，利用**聚类损失函数**聚类得到各条车道线。

**聚类损失函数**

损失函数如下：  
![在这里插入图片描述][20200913101847306.png_pic_center]  
     \[ x \] + = m a x ( 0 , x ) \[x\]\_+=max(0, x) \[x\]\+=max(0,x)

L t o t a l = L v a r + L d i s t L\_\{total\}=L\_\{var\}+L\_\{dist\} Ltotal=Lvar\+Ldist

其中，各个参数表示如下：

*  C——表示车道线实例个数；
 *   N c N\_c Nc——每个车道线实例中像素的个数；
 *   u c u\_c uc——每个车道线实例的像素中心；
 *   L v a r L\_\{var\} Lvar是方差损失，他的目的是为了降低**类内距离**；
 *   L d i s t L\_\{dist\} Ldist是距离损失，它的目的是增大**类间距离** （不同车道线之间的距离）；

**网络结构图**

LaneNet的架构基于编码器-解码器网络ENet，该网络是由5个阶段组成。前3个阶段是编码器网络，进行了两次下采样；后两个阶段是解码器网络，进行了两次上采样。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
LaneNet在该网络的基础上修改成了**双分支网络**。由于ENet的编码器比解码器包含更多的参数，完全在两个任务之间共享完整的编码器将导致不令人满意的结果。因此，LaneNet只在两个分支之间共享前两个阶段(1和2)，留下ENet编码器的阶段3和完整的ENet解码器作为每个单独分支的主干。分割分支的最后一层输出单通道图像，用于二值化分割；而实例分割分支的最后一层输出N通道图像，其中N是实例维度。每个分支的损失项都是相等加权的，并通过网络反向传播。

### 1.4 H-Net 网络结构 ###

LaneNet网络输出的是每条车道线的像素集合，常规的处理是将图像转为鸟瞰图，然后用二次或三次多项式拟合出弯曲的车道线。然而，目前所使用的透视变换矩阵的参数通常是预先设定、不会改变的，在面对水平线波动的影响（如上下坡）等情况下的车道线拟合并不准确，鲁棒性不强。因此，作者提出了H-net模型，用来学习透视变换矩阵的参数H。

![在这里插入图片描述][20200913113855636.png_pic_center]  
H有6个自由度，放置零是为了强制约束，即在变换下水平线保持水平。

H-NET的网络体系结构较小，由3x3卷积、BN层 和 Relu 的连续块构成。使用最大池化层来降低维度，并在最后添加2个全连接层。完整的网络结构如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
最后一个全连接层的结点数是6，对应的就是H矩阵中的6个参数。

### 1.5 LaneNet 性能优点 ###

**检测速度**。在英伟达1080Ti显卡上进行测试，检测一帧大小为512x512的彩色图片，耗时19ms，因此每秒可处理50帧左右。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
**检测精度。** 通过使用LaneNet结合三阶多项式拟合和H-Net的变换矩阵，在tuSimple挑战中检测精度达到96.4%，获得了第四名，与第一名相比只有0.5%的差异。结果可以在下表中看到。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

## 二、手把手带你实现 LaneNet ##

### 2.1 项目介绍 ###

该项目在github上已经开源，获得了1.3k的星标，想试试的同学可克隆下来：[https://github.com/MaybeShewill-CV/lanenet-lane-detection][https_github.com_MaybeShewill-CV_lanenet-lane-detection]，如果打不开，也可以从我的百度云网盘下载：LaneNet资料合集 ，提取码：1024

代码结构和各部分功能如下：

lanenet-lane-detection
    ├── config //配置文件
    ├── data //一些样例图片和曲线拟合参数文件
    ├── data_provider // 用于加载数据以及制作 tfrecords
    ├── lanenet_model 
    │   ├── lanenet.py //网络布局 inference/compute_loss/compute_acc
    │   ├── lanenet_front_end.py // backbone 布局
    │   ├── lanenet_back_end.py // 网络任务和Loss计算 inference/compute_loss
    │   ├── lanenet_discriminative_loss.py //discriminative_loss实现
    │   ├── lanenet_postprocess.py // 后处理操作，包括聚类和曲线拟合
    ├── model //保存模型的目录semantic_segmentation_zoo
    ├── semantic_segmentation_zoo // backbone 网络定义
    │   ├── __init__.py
    │   ├── vgg16_based_fcn.py //VGG backbone
    │   └─+ mobilenet_v2_based_fcn.py //mobilenet_v2 backbone
    │   └── cnn_basenet.py // 基础 block
    ├── tools //训练、测试主函数
    │   ├── train_lanenet.py //训练
    │   ├── test_lanenet.py //测试
    │   └──+ evaluate_dataset.py // 数据集评测 accuracy
    │   └── evaluate_lanenet_on_tusimple.py // 数据集检测结果保存
    │   └── evaluate_model_utils.py // 评测相关函数 calculate_model_precision/calculate_model_fp/calculate_model_fn
    │   └── generate_tusimple_dataset.py // 原始数据转换格式
    ├─+ showname.py //模型变量名查看
    ├─+ change_name.py //模型变量名修改
    ├─+ freeze_graph.py//生成pb文件
    ├─+ convert_weights.py//对权重进行转换，为了模型的预训练
    └─+ convert_pb.py //生成pb文

### 2.2 环境搭建 ###

根据开源作者描述，其测试的环境为：

*  ubuntu 16.04
 *  python3.5
 *  cuda-9.0
 *  cudnn-7.0
 *  GTX-1070 GPU
 *  tensorflow 1.12.0

我使用的环境与配置为：

*  ubuntu16.04系统
 *  PyCharm 2020
 *  python3.6
 *  tensorflow1.13.1-gpu
 *  cuda-10.0
 *  cudnn7.6.4
 *  opencv4.0.0
 *  RTX 2070 GPU

想尝试的朋友，可以参考上面两种配置，也可以自行尝试其他的版本。

### 2.3 准备工作 ###

如果想要自行训练的同学，可以下载TuSimple数据集，进行训练。同样，我们也可以直接使用官方训练好的模型，来输入图片，看看测试效果。为了方便，下面我们直接加载已经训练好的模型，进行本地测试。

(1) 下载TuSimple数据集，如果不训练可以跳过这一步。

(2) 下载训练好的模型，下载链接：LaneNet资料合集 ，提取码：1024

下载完后，我们将模型文件tusimple\_lanenet放在工程目录下的model文件中，如下图所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]

### 2.4 模型测试 ###

完成环境配置和模型部署后，我们就可以进行测试了！

**(1) 先对TusSample数据集中的图片进行测试**

*  第一步，在原工程目录下的data文件中新建一个Mytest文件夹，然后任意选取TusSample数据集中的一张图片放入其中，例如1.jpg，如下图所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

*  第二步，使用PyCharm打开下载好的项目工程，配置好环境后，打开终端，如下图所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]

*  第三步，在终端输入以下命令，执行程序：

python tools/test_lanenet.py --weights_path model/tusimple_lanenet/tusimple_lanenet.ckpt --image_path data/Mytest/1.jpg

最后车道线检测效果如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]

**（2）对自己的图片进行测试**

*  第一步，选择自己拍摄的一张车道线图片2.jpg，放入刚才新建好的Mytest文件夹下，如下图所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]  
第二步，打开终端，输入命令，执行程序：

python tools/test_lanenet.py --weights_path model/tusimple_lanenet/tusimple_lanenet.ckpt --image_path data/Mytest/2.jpg

对自己的拍摄的图片检测效果如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqaW5qaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 12]  
**测试分析：**

从图中可以看出，对自己的图片进行检测时，最终的检测结果虽然能够完美地与实际车道线重合，但是延伸至了空中。

产生这种情况最主要的原因是：没有自己制作数据集进行训练，从而得到更有针对性的模型造成的。由于这里我使用的测试模型是在TuSimple数据集下训练得到的，所以我们对TuSimple中的图片测试效果会很好，比如前面的1.jpg。

如果我们想要对自己的图片进行测试，得到更好的效果，那么就需要自己的数据集。比较好的办法是：

*  首先在TuSimple数据集下进行训练，得到的训练模型作为预训练模型，这一部分工作其实已经做好了，大家直接下载预训练模型即可
 *  然后，在预训练模型的基础上，加载自己制作的数据集，再进行训练，直到达到预期的效果。

采用这种迁移学习的思想，往往能够事半功倍！

##  1024，祝大家节日快乐！喜欢就给我点个赞吧，您的支持是我创作的最大动力！ ##

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[https_arxiv.org_abs_1802.05591]: https://arxiv.org/abs/1802.05591
[https_github.com_MaybeShewill-CV_lanenet-lane-detection]: https://github.com/MaybeShewill-CV/lanenet-lane-detection
[LaneNet]: https://ai-wx.blog.csdn.net/article/details/108532329
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