【单目3D目标检测】项目实战-道路车辆/行人3D目标检测

任务定义

输入：单帧RGB图像
输出：图中目标的3D包围框$(x,y,z,h,w,l,ry)$

x,y,z ：物体中心点的坐标
h,w,l ：物体维度（长、宽、高）
ry ：偏航角

传统激光雷达3D检测模型 VS 单目3D检测模型

传统依靠激光雷达的3D检测方法存在传感器昂贵难以大规模广泛部署,点云缺失纹理信息,分辨率低等问题。而建立单目3D检测模型,有效的利用了图像相对于点云的各个优势，降低产业落地门槛，更容易部署到需要的各个场景。

单目3D目标检测优点

1 传感器偏移
2 丰富的纹理信息
3 分辨率高

单目3D目标检测难点

1 深度信息缺失，由 2D 图像预测 3D 位置困难
2 相机传感器敏感，受环境影响（夜晚、雨天）等较大
3 图像层面，遮挡、截断等问题严重影响感知精度

数据集

KITTI 数据集是一个用于自动驾驶场景下的计算机视觉算法测评数据集，由德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和丰田工业大学芝加哥分校（TTIC）共同创立。包含场景有市区、乡村和高速公路。本案例使用公开的 KITTI 数据集用于训练测试，共有 14999 张图片，分为训练集 3712 张，验证集 3769 张，测试集 7518 张。示例图片如下图所示：

公开KITTI数据集

KITTI数据集标注及网络输出形式

整个数据集包含图片 images，标签 labels 和相机参数 calib，每个标签文件种包含以下字段：

type—物体类别
truncated—是否截断
occluded—是否遮挡
alpha—观测角
bbox—障碍物2D框
dimension—障碍物的3D大小
location—障碍物的3D底面中心点位置
rotation_y—障碍物的朝向角
score—障碍物预测的置信度

最终数据集文件组织结构为：
kitti
└── training
├── calib
├── image_2
└── label_2

KITTI评价指标

纵向：虽然最终关注并使用的是3D检测框，但同时会反馈 2D detection 和 3D BEV检测框的定位精度。

横向：根据所标注包围框是否被遮挡、遮挡程度、框的大小将数据集分为Easy，Mod，Hard。

3D detection、2D detection 和 3D BEV 指标计算方式都是AP（根据PR曲线计算）。KITTI主流的评价标准是R11和R40，两者区别是采样点的不同。R40效果更好，更能反映评测的精准度。

模型

整体框架

数据过滤

目的：平衡前后背景，保证训练的稳定性。

vis可见程度：遮挡程度分为0,1,2,3四个级别，如果图片遮挡级别是2,3，考虑放弃使用该图片样本，因为可见度太低会影响训练的稳定性。

Bbox大小：Bbox过大过小都将其考虑为困难样本，影响训练的稳定性。

类别：只关注car，pedestrian，cyclist三类。

图片标签：无标签图片过滤掉。

Anchor

2D Anchor

1 (min_gt_h, max_gt_h) 间定义11个采样点，总共有12中尺度。
2 横纵比定义三种 [0.5, 1, 2]

每个点定义12种尺度 * 3种比例共36个anchor。

3D anchor

对于3D anchor，不会直接预测$(x,y,z)$的值，因为从2D维度预测3D维度真实距离是比较困难的，所以需要一个统计先验量。

相机内参P · 相机3D位置信息 = 2D图像中位置信息

将3D问题转换为2D问题：
只需预测 x,y 在图像上相对anchor点的偏移offset。对于z（即depth），统计一个先验量。

如何统计该先验量？

对于每个2D anchor，知道其长宽，索引数据集中所有跟这个长宽计算2D IoU，找到最匹配的一个集合，在该集合中算出 z 对应的平均值作为anchor的先验量。

对于网络模型来说，只需预测该先验量的offset，大大减少了预测真实世界的负担。其他三个维度$(w,h,l)$ 和 $\theta$ 也是类似操作。

3D 7个自由度中的旋转角 ry，是在物体坐标系或者BEV视角下，车辆的偏航角。但是对于单目图像检测任务来说，直接预测BEV视角下的偏航角很困难，所以一般会将偏航角转换为相机的observation angle视场角（从相机光心看过去与车辆的夹角），这样操作使得网络更容易学习。

数据增强

单目3D目标检测任务中数据增强的研究比较少，2D图像变换有时需要改变3D标签，这种改变有时很困难，这里选用两种：Flip 和 Resize（fix resolution）。

Resize 使用 fix resolution 是为了不改变图片的 focal length，这样横纵比例是对应的，所以只需要把 focal length 做过滤变换或直接把$(x,y,z)$坐标进行过滤变换即可。

Backbone

后处理优化

使用 3D、2D IoU 投影做后处理变换。

2D目标检测任务的难度要远远小于单目3D目标检测，2D目标检测的精度要远远大于单目3D目标检测。所以可以使用2D目标检测任务的输出作为伪基T，用该伪基T矫正3D预测的一些属性。具体矫正做法是：把单目3D目标检测任务得到的7个自由度先规划成3D bounding box，也就是物体在三维坐标系中的8个顶点，然后通过相机内参把8个顶点投影到图像上。如图：计算橙色3D bbox和绿色2D box的IoU，通过不断的调整某个3D属性让IoU达到最小，以此修正3D预测的属性。

单目3D目标检测任务中，有一些先验量，最不准的是朝向角和深度。所以，主要矫正的也是朝向角和深度。

如图所示为后处理优化效果。

模型部署

见 项目地址