论文阅读_DEVFormer

介绍

英文题目：BEVFormer: Learning Bird’s-Eye-View Representation from Multi-Camera Images via Spatiotemporal Transformers
中文题目：BEVFormer: 通过时空Transformers从多摄像头图像学习鸟瞰图表示
论文地址：https://arxiv.org/pdf/2203.17270v1.pdf
领域：机器视觉，自动驾驶
发表时间：2022年3月
作者：Zhiqi Li等
出处：南京大学，上海人工智能实验室，香港大学
代码和数据：https://github.com/zhiqi-li/BEVFormer
阅读时间：2022.05.22

读后感

文中方法和特斯拉视频（特斯拉2021人工智能日AI Day完整视频）架构相似。比较有意思的地方是在BEV层面结合了时间和空间信息。

介绍

在3D感知领域，雷达已取得了很好效果，机器视觉近几年也受到关注，除了成本低，相对雷达，它还能感知远距离物体，以及识别道路标识。

BEV鸟瞰图从多个摄像头信息计算表征，用于描述周围场景。分割任务证明了BEV的有效性，但由于该方法基于深度信息生成BEV容易出错，所以在三维目标检测方面效果不显著。

另外，时间信息也很重要，比如车往前开的时候，现在被遮挡的物体，之前可能是能看到的。但是目前用到时序数据的不多，主要因为运动中的情况不断变化，不能通过简单堆叠前帧的方法来辅助当前预测。

文中提出了结合多摄像头和历史BEV特征的方法BEVFormer，如图-1所示：

左图是BEV的网格图，即鸟瞰图，Ego是汽车本身，黑色方块是关注的物体；中图的交叉注意力结合了多个摄像头信息的空间信息；右图使用自注意力模型，结合了之前数据的BEV信息。以此来解决估计运动物体的速度和检测严重遮挡物体的问题。

文章贡献

• 提出BEVFormer，结合时空信息，支持下游任务。
• 使用自注意力和交叉注意力，将特征结合到BEV。
• 实验效果好。

DEVFormer

总体架构

BEVFormer有六个Encoder层，每层如图-2所示

左图描述了车载的6个摄像头，通过底层 Backbone 提取多层图像特征（Feature Map）；中间图 (a)展示了一个编码层包含时间的自注意力和空间的交叉注意力，空间信息由左图提供，它的输入还包括前一层的网格BEV特征(橙色)和BEV查询(蓝色)，输出是BEV特征；右侧的图(b)细化了空间交叉注意力，BEV查询只与它感兴趣的摄像机图片特征交互；右图©细化了时间自注意力，查询与之前的BEV特征和当前的BEV特征交互。

其中BEV查询是网格形状的可学习参数，用于从摄像头中查询BEV特征。

预测阶段，在时间t，读取多摄像头的图片特征F，以及t-1时刻的BEV特征，通过上述处理，输出BEV在t时刻的特征，送入下一层；多层处理完最后输出的BEV特征送入下游任务。

BEV 查询

定义一个网格形状的可学习的参数Q ∈ RH×W×C，其中H,W是BEV平面的大小，其中每个点p=(x,y)指向现实世界中s米的区域，每个点对应一个大小为C的查询Qp。BEV的中心点一般是汽车本身所在的区域。依照惯例，在输入BEVFormer框架前，将位置嵌入到Q查询中。

空间交叉注意力

多个摄像头，每个摄像头又有多层特征输出时，数据量非常大，因此使用了多头注意力。具体使用形变注意力deformable attention（一篇非常精典的论文）。BEV查询使每个点只与某些摄像头（视图）相关。

本文将形变注意力从2D扩展到3D。如图-2(b)所示，先将查询扩展成了一个柱形，采样3D参考点，再投影到2D。把与某点相关的视图记作Vhit。把2D点作为查询Qp的参考点，从相关视图中这些点周围采样。最终得到采样特征的加权和作为空间交叉注意力的输出：

式中的i是摄像头索引，j是参考点，N是柱中所有高度参考点，F是特征，Q是查询，P(p,i,r)是投影函数，用于获取第i图中的第j个参考点。

使用投影函数计算参考点方法如下：

x’,y’是真实世界坐标，x,y是BEV上的坐标，W,H是BEV大小，S是每个BEV小格对应现实世界的米数。

现实中，不仅有位置x’,y’，还有高度z’，对于每个查询点p，获取一个3D柱

，通过相机的投影矩阵将三维参考点投影到不同的图像视图上。

此处的P(p, i, j)是由第j个3D点(x’, y’,z’j)投影到第i个视图上的2D点，Ti是第i个相机的已知投影矩阵。

时间自注意力

通过结合历史BEV来表征当前环境。查询Q和前一时间的Bt-1，首先要对齐运动中的Bt-1和Q，将对齐后的B记作B’，由于物体在运动中，因此，通过自注意力建模：

与之前的形变注意力不同的时，此处的位置偏移∆p是通过串联Q和B’t-1来预测的。
相对于简单的堆叠之前的BEV，自注意力更有效地对长时依赖建模，也减少了计算量和信息干扰。

应用BEV特征

Encoder输出的DEV特征Bt大小为HxWxC，可用于自动驾驶的3D物体探测（预测三维边界框和速度，无需NMS后处理）和地图分割等任务中。

实现细节

训练阶段

从过去2s中随机抽取3个样本，表示为t-3,t-2,t-1,t，在时间t，根据多摄像头的输入和Bt-1生成Bt，Bt包含四个样本的时空信息，最终输出到下游任务，计算损失函数。

预测阶段

对视频中的每帧计算，并保留BEV特征用于后续计算，尽管使用了时间信息，但是文中方法的预测时间与其它方法差不多。

实验

数据集

实验使用两个公开的自动驾驶数据集：nuScenes和Waymo。

nuScense包含1000个，每个约20s的数据，标注2Hz，每个样本包含6个摄像机具有360度的水平场景。对于目标检测任务有标注了1.4M个3D框，共包含10个类别。5种评价标准：ATE, ASE, AEO, AVE, AAE，另外，nuScense还提出了NDS来计算综合评分。

Waymo Open Dataset包含798个训练序列和202个验证序列，每帧5张图片，摄像机具有252度的水平场景，但提供了360度的标注。由于Waymo是高分辨率且高采样的，所以利用5秒采样切分数据，并只检测车辆类别。

实验设置

基础模型使用使ResNet101-DCN和VoVnet-99，三层256通道的FPN，BEV大小为200x200，每小块对应0.512米，用6层编码层，从-5米到3米取4个高度的参考点，24次迭代。由于Waymo不能取到360度全景，由此对BEV大小做了调整。

基线使用VPN和Lift-Splat模型做对比，另外，还对比了不使用时间信息的BEVFormer-S模型。

3D目标检测

Modality中L表示雷达，C表示摄像机，可以看到BEVFormer与雷达效果相似。另外，对于速度mAVE也有明显提升。

多任务感知

针对3D检测和地图分割同时训练两种任务，以节省资源，结果如表-4所示：

可以看到，在车辆分割中多任务训练效果更好，而道路和车道分割效果较差，这可能是负迁移导致的。

消融实验

空间交叉注意力

与之前模型相比，使用了Deformable的BEV模型有明显提升。相对于全局注意力，只关注参考点的注意力（限制了感受野），稀疏注意力利用了先验的感兴趣区域，取得了更好效果，且相对比较节省资源。

时间自注意力

通过BEVFormer与BEVFormer-S的比较可以看出，使用时间注意力的效果，其优势如下：更好地预测速度；预测位置方向更准确；对遮挡物体有更高召回率。

模型规模和延迟

由于需要处理多视图，时间主要用于backbone模型；另外，缩减了BEVFormer后，效果下降也能接受。

可视化效果

如图-4所示，模型只在较远和小型物体识别有误。