[CVPR 2023:AeDet实现方位不变的多视图3D目标检测]

整体架构流程

论文地址：https://openaccess.thecvf.com/content/CVPR2023/papers/Feng_AeDet_Azimuth-Invariant_Multi-View_3D_Object_Detection_CVPR_2023_paper.pdf
主页：https://fcjian.github.io/aedet
代码：https://github.com/fcjian/AeDet

本文介绍了一种名为AeDet的方位角等变检测器，它能够实现多视图3D目标检测的方位不变性。如下图所示，假设不同方位的摄像机在不同时刻捕获到相同的场景，现有方法（以BEVDepth为例）在不同方位下对相同的公交车产生不同的BEV特征和预测结果，而AeDet则在不同方位下对相同的公交车产生几乎相同的BEV特征和预测结果。

问题

目前基于Lift-Splat-Shoot（LSS）的多视图3D目标检测器（例如BEVDepth）通常由图像编码器（Image-view encoder）、视角转换器（View transformer）、BEV编码器（BEV encoder）和检测头（Detection head）组成。

我们进行了一项基于BEVDepth的简单实验。我们假设不同方位的摄像机在不同时刻捕获到相同的场景，并将相同的图像作为6个视图的输入（为了简明起见，本文仅展示了3个视图）。令人惊讶的是，BEVDepth在不同方位下对相同物体（即下图中的公交车）生成了不同的BEV特征和检测结果。

我们将逐个模块分析导致上述结果的原因。图像编码器和视角转换器会分别处理不同方位的图像，因此可以将图像转换为具有旋转等变性的BEV特征（即径向对称性），如下图所示：

然而，BEV编码器和检测头使用传统的卷积和无锚检测头来进行BEV感知。这种设计忽略了BEV特征的径向对称性，导致在不同方位下对相同的物体产生不同的特征和预测。

更具体地说，传统的卷积编码器和无锚检测头在BEV感知中存在以下两个问题：
1）如下方左图所示，传统的卷积编码器在特征的每个位置使用相同的采样网格，因此对于旋转等变的BEV特征，它在不同的方位下会采样和生成不同的BEV特征。
2）如下方右图所示，传统的检测头沿着笛卡尔坐标系的方向（蓝色箭头）预测物体的方向和速度，这导致检测头需要针对不同方位的相同物体预测不同的目标。

方法

本文提出了一个名为AeDet的方位等变的多视图3D目标检测器，旨在统一不同方位下的BEV感知（即表示学习和预测），从而提高检测性能。该方法通过图像编码器和视角转换器处理多视角图像，生成具有径向对称性的BEV特征。随后，利用基于方位角等变卷积（AeConv）的BEV网络进一步编码方位不变的BEV特征，并基于方位角等变锚来预测方位不变的检测结果，具体结构如下方所示：

2.1 学习方位不变的BEV特征
在学习方位不变的BEV特征方面，本文提出了一种名为方位角等变卷积（AeConv）的方法。AeConv旨在统一对不同方位的BEV特征学习，提取沿相机径向的BEV表示。具体而言，根据每个位置的方位角，我们将传统卷积的规则采样网格相应地旋转，并基于旋转后的采样网格进行卷积运算，如下方所示：

需要注意的是，AeConv方法中旋转的采样网格始终是沿着相机径向的（如上图所示）。因此，无论在不同的方位下，AeConv都能够采样和学习相同的BEV特征，即具有方位角不变性的表示。我们使用AeConv代替传统的卷积操作，并构建了基于AeConv的BEV网络，以进一步编码方位不变的BEV特征。这种方法可以提高多视角3D目标检测的准确性和鲁棒性。

2.2 预测方位不变的目标
方位角等变锚：我们根据每个位置的方位角重新定义了方位角等变锚；然后根据方位角等变锚的方向（蓝色箭头）计算检测框和速度的残差，得到与方位无关的预测目标：

值得注意的是，方位角等变锚的方向总是在相机的径向上。因此，检测头可以根据方位等变的方向来预测目标的朝向、中心偏移量和速度，从而得到与方位无关的预测目标和结果：

2.3 相机解耦的虚拟深度是一种新的深度预测方法，它具有相机内参无关性，可以对具有不同相机内参的图像进行统一的深度预测。具体实现方法是，首先使用相机解耦的深度网络来预测以虚拟焦距为基准的虚拟深度。然后，根据经典的摄像机模型，将虚拟深度转换为真实深度，使得预测的深度能够适配到不同的相机内参和视角下。这种方法可以有效地提高深度预测的鲁棒性和泛化能力。

实验

3.1 与SOTA比较
在nuScenes验证集上的比较中，AeDet使用ResNet-50和ResNet-101分别实现了50.1%的NDS和56.1%的NDS，在性能上超过了当前的多视图3D目标检测器，如BEVFormer（超过4.4%）和BEVDepth（超过2.6%）。

在nuScenes测试集上的比较中，AeDet将mAOE和mAVE分别提高了3.4%和2.8%，并以53.1%的mAP和62.0%的NDS在多视图3D目标检测方面取得了最新的先进结果。

3.2 消融实验
与基准BEVDepth相比，AeNet（方位角等变卷积和方位角等变锚）在参数数量相同的情况下，仅增加了1.7%的FLOPs，将NDS提高了2个百分点（从44.2%增加到46.2%）。此外，相机解耦的深度网络（CDN）可提高1.5%的mAP和1.2%的NDS。

3.3 旋转测试
不同方位的检测鲁棒性对于自动驾驶系统非常重要，因为车辆有时可能会进行大角度转弯。例如，在小型环形交叉路口或拐角处，车辆的转向角度变大，导致摄像头方向发生巨大变化。自动驾驶车辆在不同的朝向下都应当保持准确的检测性能。为验证检测器的鲁棒性，我们提出了旋转测试来模拟这种情形：我们将车辆顺时针旋转60度，获取旋转视图，并在该视图中评估检测器。如下表/图所示，在旋转视图下，BEVDepth产生了与原始视图不同的预测结果，其性能下降了4.6% NDS，而AeDet在原始视图和旋转视图中产生几乎相同的预测结果。

小结

总结起来，本文提出了一种名为AeDet的检测器，旨在实现方位不变的多视图3D目标检测。它采用了方位角等变卷积（AeConv）和方位角等变锚等多种创新技术，以实现方位不变的BEV感知，并通过相机解耦的虚拟深度来统一不同相机的深度预测。在nuScenes数据集上，AeDet取得了显著的性能提升，达到了62.0% NDS，超越了现有方法，在物体的方向和速度预测方面表现出卓越的改进。这项工作强调了方位角等变卷积和方位角等变锚在提高3D目标检测性能上的有效性，尤其是在多相机视图下。