自动驾驶笔记（二）
15. 总结
感知的工作方式、感知的不同的方法和传感器
感知的主要任务，检测、分类、跟踪、分割——依赖于卷积神经网络
传感器信息融合
14. 感知融合策略
Apollo 使用激光雷达 和雷达 来检测障碍物。
用于融合输出的算法 主要是 卡尔曼滤波算法。
卡尔曼滤波算法 有两个步骤：
第一步：预测状态（predict state）
第二步：更新量测结果（update measurements）
设想：我们在跟踪一名行人，此处的状态是行人的 位置和速度，
- 从已掌握的行人的状态开始，来执行 第一步，即预测未来时刻行人的状态；
- 下一步是误差结果更新，我们使用新的传感器值 修正我们认为的行人的状态
最后，无限循环。
实际上，有两种 量测结果更新的 方法：同步 和 异步
- 异步融合，逐个更新所收到的传感器测量结果(update at the time once they arrive)
- 同步融合，同时更新来自不同传感器的测量结果。（all at the same time）
传感器融合可提高感知性能，因为各传感器相辅相成（complements each other）
融合也可以减小跟踪误差，所以我们可以更加确信对道路上其他物体位置的预测。
13. 传感器数据比较
感知 通常依赖于 摄像头、激光雷达和雷达
三种传感器的优缺点如下图所示：
- 摄像头 非常适合用于 分类。
Apollo 主要用它做 交通信号灯分类 和 车道检测。
- 激光雷达 优势在于 障碍物检测，即使在夜间，没有自然光情况下。
- 雷达 优势在于 探测范围 和 应对恶劣天气方面。
通过融合三个传感器的数据，可以实现最佳聚合性能。
这被叫做 传感器融合
12. Apollo感知
The Apollo software stack （Apollo 开放式软件栈）可以 感知障碍物、交通信号灯和车道。
对于 三维对象 检测，Apollo 使用 感兴趣区域（ROI）来重点关注相关对象。 Apollo 把 ROI过滤器
应用于点云和图像数据，以缩小搜索范围，加快感知。
然后，向检测网络馈送 已经过滤过的点云，输出用于构建 围绕对象的三维边界框。
最后，我们使用 被称为检测跟踪关联的算法，来跨时间识别单个对象
该算法先保留每个时间步里要跟踪的对象列表，然后，在下一个时间步里找到最佳匹配。
对于 交通信号灯的分类：
- Apollo 先使用高精度地图 确定前方是否存在 信号灯，
如果前方有交通信号灯，高精度地图会返回灯的位置信息，而这就是摄像头的搜索范围。
- 在摄像头捕捉到交通信号灯图像之后，
Apollo 使用检测网络 对图像中灯的位置定位，
然后，Apollo 从较大的图像中 提取出 交通信号灯（裁剪），然后送给分类网络以确定颜色。
（如果这里有许多信号灯，则需要选择那个灯与 自己的车道相关）
Apollo 使用 YOLO 网络来检测车道和动态物体，其中包括车辆、自行车、行人。
- 在经过 YOLO 网络的车道检测之后，在线检测模块会并入其他传感器的数据，
对车道线预测进行调整。（车道线最终被并入到 虚拟车道 的数据结构中去） - 类似地，也通过其他传感器的数据，对YOLO检测到的动态对象进行调整，
以获得每个对象的类型、类型、速度和前进方向
最终，虚拟车道 和 动态对象 均被传递到规划和控制模块。
11. 分割
语义分割 涉及对图像的每个像素进行分类。
它用于尽可能详细地了解环境，并确定车辆可驾驶区域（drivable area）。
语义分割 依赖于 一种特殊的 CNN—— 全卷积网络 FCN
(Fully Convolutional Network)
FCN 用 卷积层(Convolutional Layer) 来代替传统 CNN 体系结构末端的 平坦层。
现在，网络中的每一层都是卷积层，因此得名“全卷积网络”。
FCN 提供了 可在原始输入图像之上叠加的 逐像素输出。
我们必须考虑的一个复杂因素是 大小。
在典型的 CNN，经过多次卷积之后，所产生的输出图像 比原始输入图像小的多。
然而，为了分割图像，输出图像的尺寸必须与原始图像的尺寸 相匹配
为了达到这个目的，我们可以对 中间输出 进行上采样处理，直到大小相匹配。
网络的前半部分，通常被称为编码器，（这部分网络 对输入图像的特征进行了提取和编码）；
网络的后半部分，通常被称为解码器，（对 这些特征进行了解码，并将其应用于输出）
10. 跟踪
What’s the point of tracking?
追踪的意义 是什么？
如果我们对 每一帧（Frame）中的 每个对象 进行检测，
并用 边界框 对每个对象进行标识，那么，跨帧 追踪对象会带来哪些好处呢？
首先，追踪在检测失败时，是至关重要的。
- 如果在运行检测算法时，对象被另一个对象遮挡（occlusion）一部分
那么，检测算法有可能失败。
追踪 可以解决 遮挡问题。
另外，追踪 可以保留身份。
- 障碍物检测的输出 为 包含对象的边界框。
但是，对象 没有与 任何身份关联。
（即，单独使用 检测时，计算机并不知道，这一帧中的对象 和 下一帧中的那个对象对应！）
追踪的效果如下：
追踪（Tracking）
第一步为确定身份。
通过查找 特征相似度最高的 对象，我们将 在之前的帧中检测到的所有对象 与 当前帧中的各对象进行匹配。
We match all the objects detected in previous frame with objects detected in the current frame by finding objects with the highest feature similarity.
另外，也可以考虑 连续帧之中对象的位置和速度，（因为两个帧之间的位置和速度变化不大，该信息有助于快速找到匹配对象）对象具有很多特征，有些特征可能基于颜色，有些特征可能基于形状， 计算机视觉算法可以计算出复杂的图像特征，如：局部二值模式和方向梯度直方图
确认身份之后，我们可以使用对象的位置并结合预测算法，以估计下个时间（next time step）的位置和速度。
该预测 也帮助我们识别下一帧中的对象。
9. 检测 与 分类
在感知任务中，首先想到的就是 障碍物的检测和分类。
驾驶过程中的障碍物：
静态障碍物：墙壁、树木、杆子、墙壁；
动态障碍物：行人、自行车、其他车辆；
计算机 首先需要知道这些障碍物的位置，然后把他们分类。
另一个检测分类的例子：交通信号灯的检测分类
首先，我们使用计算机视觉 对 交通信号灯 进行定位，
然后，我们可以根据灯光的颜色对 信号灯进行分类。
在无人驾驶中，我们使用什么算法 对障碍物进行检测和分类？
首先，我们使用 检测CNN查找图像中 对象的位置，
定位之后，我们可以将图像送给另外一个分类CNN 进行分类。或者，可以使用单一CNN体系结构 对对象进行检测分类
常用的做法是，在单一体系结构末端附加几个不同的“头”，
经典的体系结构为 R-CNN 及其变体 Fast R-CNN 和 Faster R-CNN
YOLO 和 SSD 是具有类似形式的不同体系结构。
8. 卷积神经网络（CNN）
Convolutional Neural Network
CNN 是一种人工神经网络，它对解决 感知问题 特别有效。
CNN 接受多维输入，包括 定义大多数传感器数据的 二维、三维形状。
例子：如解决 图像分类问题：
- 如果 使用标准神经网络解决：
则需要一种方法，将图像连接到网络的第一层（它是一维的）
常用的方法是，将图像矩阵重塑为一个矢量，并在一个大行中连接所有的列，
将图像展开为一维像素阵列。
然而，这种方法打破了 图像所嵌入的空间信息。 - 如果 使用CNN解决：
CNN 通过持续输入像素之间的空间关系 解决上述问题。
具体讲，CNN 通过 过滤器连续滑过图像来收集信息，
每次收集信息时，只对整个图像的一小部分区域进行分析，这被称为卷积。
当 我们在整个图像上 对一个过滤器进行卷积时，
我们将该信息与下一个卷积层相关联。
例如：
CNN 可以识别第一个卷积层中的 基本边缘和颜色信息，
然后，通过在第一层上 卷积新过滤器，CNN 可以用 边缘和颜色信息来归纳更复杂的结构，如：车轮，车门，挡风玻璃；
而，另一个卷积 可以用这些车轮、车门、挡风玻璃识别整个车辆！
最后，神经网络可以使用 这个高阶信息 进行分类。
人们通常不理解 CNN怎样解读图像，
有时，CNN 关注的部分让人们惊讶，但这也是深度学习神奇的地方，
CNN 根据任务，查找真正所需要的特征。
任务 可能是 检测、分类、分割或其他的目标。
7. 反向传播算法（Backward Propagation）
我们已经讨论了，神经网络如何从数据中“学习”。（有时也被叫做 训练）
那么 这种学习是怎样发生的呢？
它由三步循环组成：
- 前馈（Feed Forward）
最初，随机分配初始权重，（即人工神经元的值）
然后，通过神经网络来馈送每个图像，产生输出
- 误差测定
误差是 前馈过程产生的输出 与 真实值之间的偏差
- 反向传播
我们将误差反向发送，使其通过神经网络，（像前馈过程，只是方向相反）
每个神经元 对其值进行 微调，所有这些独立调整的结果可以产生更准确的网络。
为了训练这个网络，我们需要数千个这样的周期，
训练的最终结果应该是，模型能够根据新数据做出准确的预测（判断）。
6. 神经网络（Neural Networks）
人工神经网络（Artificial Neural Networks）是 受到构成人类神经系统的生物神经元的启发 产生的，（也可以用于无人驾驶车）。
生物神经元 通过相互连接构成了 神经系统或神经网络；
类似地，我们可以将 人工神经网络连接起来，来创建 用于机器学习的 人工神经网络。
人工神经网络，是一种工具，一种通过数据 来学习复杂模型的 工具。
Artificial Neural Networks is a tool to learn complex pattern by data.
像 生物神经网络一样，
人工神经网络 由大量的神经元组成，且 其中的神经元负责传递和处理信息。
这些神经元 也可以 被训练。
仔细想想，你可能不知道自己如何知道它们是车辆，
也许是 它们的某些特征 触发了你的反应。
人工神经网络 具有类似的工作方式。
通过密集训练，计算机可以辨别车辆、行人、电线杆等，
我们并不总是理解，它们如何做出这些辨别，
但它们学习了（学懂了）用于执行任务的数学模型，只是我们可能很难直观地去理解该数学模型。
类似地，人工神经网络会从图片中提取许多特征，
但是这些特征 可能是我们人类无法描述或无法理解的特征！
但是，我们不需要理解，计算机会自动调整这些特征的权重，以完成神经网络的最终任务。
这就是深层神经网络的思维方式。
5. 机器学习(Machine Learning)
机器学习是 使用特殊算法训练 计算机 从数据中学习 的 计算机科学领域。
机器学习 诞生于 20世纪 60年代，
但随着 计算机硬件的改进，在过去的 20年中，才真正越来越受欢迎。
机器学习的应用：
- - 金融公司：对汇率和证券交易 进行预测；
- - 零售企业：预测需求；
- - 医生：辅助医疗诊断。
机器学习是 使用特殊算法训练 计算机 从数据中学习 的 计算机科学领域。
1- 通常，这种 学习 的结果 存放在 一种被称为 模型（Model） 的数据结构中，
有很多种模型。（事实上，模型 只是一种可用于理解和预测世界的数据结构）
2- 机器学习 涉及使用数据和相关的真值标记 来进行模型 训练，
- 监督式学习（Supervised Learning）（模型利用了人类创造的真实标记）
例如：显示车辆和行人的计算机图像 并告诉计算机各图像对应的标签，
我会让计算机 学习 如何最好地区分两类图像。
- 无监督式（Unsupervised Learning）
想象一个类似的学习过程，但这次使用的是没有 真值标记的车辆与行人图像，
在这种方法中，我们让计算机自行决定哪些图像是类似的，哪些图像是不同的，
- 半监督式学习（Semi-supervised Learning）
它将 监督式学习 和 半监督式学习的特点结合到一起；
该方法使用 少量的标记数据 和 大量的未标记数据来训练模型。 - 强化学习（Reinforcement Learning）
是 另外一种机器学习，
它允许模型 尝试许多不同的方法来 解决问题，
然后，衡量哪种方法最成功，并给予奖励。
（即，计算机将尝试很多种方法，最终使方法和环境相适应）
例如：训练无人驾驶车 右转：
4. 激光雷达（LiDAR）图像
激光雷达传感器 创建 环境的点云表征，提供 摄像头图像难以获得的信息——如距离和高度；
激光雷达传感器 使用光线（尤其是 激光）来测量距离，
测量，激光雷达传感器 与 环境中反射该光线的物体之间 距离；
激光雷达 发射脉冲，并测量物体 将每个激光脉冲反射回传感器所花费的时间。
反射需要的时间越长，物体离传感器越远，
激光雷达 通过这种方式 构建周围时间的视觉表征：
由 激光雷达之输出 获得的可视化图像
图像解读：
激光雷达 通过发射光脉冲来检测周围的环境，
中间的 黑色区域 表示 无人驾驶车本身；
蓝色点 表示 （反射 激光脉冲的）物体，（由于激光雷达测量激光束反射，它收集的数据形成一团点 或 点云；点云中的每个点，代表反射回传感器的激光束）；
点云 可以告诉我们 关于该物体的许多信息——例如，它的形状、纹理；
通过 对点进行聚类和分析，
这些数据 提供了足够的对象检测、跟踪或分类信息（detect, track or classify an object）
上图中，标注出了 对点云执行检测、分类后的结果：
图像解读：
红点：为行人；
绿点：表示其他汽车；
因此，激光雷达 提供了充足的 用于构建世界视觉表征的 空间信息。
LiDAR provides enough spacial information to creat a visual repretation of the world.
计算机视觉技术 不仅可以使用摄像头图像进行对象分类，
还可以使用点云和其他类型的空间相关数据 进行对象分类。
3. 摄像头图像
摄像头图像（Camera Images）是 最常见的计算机视觉数据；
计算机 如何确定出 给的图片是一辆汽车的图像？
从计算机的角度，图像只是一个二维网格——矩阵（Matrix），
数字图像 全部由像素组成，
图像中的每个像素 只是一个数值，这些值构成了我们的 图像矩阵。
我们可以改变这些值：
给每个元素加上一个标量整数——改变图像亮度；
向右移动每一个数值——平移图像；
等等
这些数字网格，是许多图像处理技术的基础；
多数颜色和形状的转换只是通过 对图像进行数学运算以及逐一像素更改 完成的。
例子：
将 图像 分解为 二维灰度像素值网格
彩色图像 （三维立方体）深度为颜色通道数（例如 RGB图像——薄立方体，3层二维）
2. 计算机视觉
作为人类，我们可以自动识别 图像中的物体，甚至能推断 这些物体之间的关系。
但是，对于电脑而言，图像只是红色、绿色、蓝色值的集合；
如何 把这些值 解读为 有意义的图像内容？（It’s not obvious）
Self-Driving cars have four core task in the percevice world.
在感知方面，无人驾驶车 有四个核心任务：
- 检测：找到物体在环境中的位置；
- 分类：明确对象是什么；
- 跟踪：指随时间的推移，观察移动物体（如，其他车辆、自行车、行人）；
- 语义分割：将图像中的每个像素与语义类别进行匹配（道路、汽车、天空）；
我们 可以将分类作为 研究计算机视觉一般数据流程的例子：
We can use classification as an example to study the general data pipeline for computer vision.
图像分类器
是一种 将图像作为输入，并输出标识该图像的标签或“类别”的算法。
例如：
交通标志分类器：查看一个停车标志 并 识别它是停车标志，还是让路标志、限速标志或其他类型的标志。
再例如：
分类器 甚至可以识别行为：
一个人是在 走路？还是在跑步？
有许多种分类器，但它们都包含一系列类似的操作：
- 计算机 接收 类似摄像头等成像设备 的输入（图像或一系列图像）；
- 将它们送去 预处理（将图像标准化：调整大小、旋转、全彩转换为灰度图）；
【可以帮助模型加快处理速度】 - 提取特征（Extract Features）
【特征帮助计算机理解图像】 - 将特征输入到 分类模型中；（确定是否存在）
【使用特征来选择图像类别】
为了完成这些 视觉任务，我们需要建立模型；
模型 是帮助计算机了解图像内容的工具。
在计算机视觉中，不论 使用训练的模型去 执行什么任务，
它们通常在开始时将 摄像头图像（Cameral Imagines） 作为输入。
1. 感知
我们的 目标是教会车辆 如何drive themselves.
为此，我们需要教汽车如何感知 周围环境。
我们开车时，我们用眼睛 判断速度、车道位置、转弯位置；
无人驾驶车 的眼睛 是静态摄像头和其他传感器，
这里我们需要使用 大量的 计算机视觉技术；
计算机视觉，是指 计算机看待和理解 世界的方式；
现今，最广泛使用的方法是 卷积神经网络（CNN Convolutional neural network）
接下来，首先介绍计算机视觉的基本应用领域，
然后，介绍机器学习、神经网络和卷积神经网络的基础知识；
再讨论 感知模块 在无人驾驶车中的具体任务；
最后，介绍Apollo 感知模块的体系结构 和 传感器融合的相关主题；
摄像头：前方有什么障碍物
雷达、激光雷达（测量原始距离）：这个障碍物距离我们多少厘米；
无人驾驶车的核心竞争力——利用海量的传感器数据，模仿人脑来理解这个世界。
当谈到传感器，也会谈到神经网络、深度学习和人工智能。