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基于点云自动驾驶中的3D目标检测研究进展

  • 2026-07-23 15:24:20
基于点云自动驾驶中的3D目标检测研究进展

1 引言

自动驾驶技术在全球范围内正受到越来越广泛的 关注,它在提升道路安全、提高交通效率、优化城市规 划等方面展现出了巨大潜力,有望从根本上改变交通 部门的运作方式. 人类在驾驶时利用视觉和听觉系统来感知真实的世界,那么自动驾驶汽车呢?如果它们 像人类一样开车,那么它们需要通过传感器来感知周 围环境中的其他交通参与者和障碍物,识别道路上检 测到的目标来规划行进路线[1]. 传感器就像汽车的眼 睛,正是由于车载传感器能够精确地判断障碍物的位 置和运动信息,才能为车辆预知危险、紧急制动及防撞避险提供最直接可靠的信息.感知任务涉及对环境进行 分割、目标检测和跟踪等关键步骤.其中,3D目标检测是 自动驾驶感知领域的研究热点之一,旨在从传感器数据 中准确地识别和定位3D空间中的目标物体[2],例如汽车、 行人和自行车等,这对于自动驾驶系统来说至关重要.
根据传感器输入形式,可以将3D目标检测算法分 为以下两种架构:基于单模态的方法和基于多模态融 合的方法. 基于单模态[2,3]的方法通常使用单一传感 器作为输入源. 在自动驾驶领域,常见的单一模态包 括激光雷达、毫米波雷达和相机等传感器. 每种传感 器都有着各自的特点和优势,比如,相机通过拍摄高 分辨率的图像,可获取丰富的视觉信息,且硬件成本 很低;激光雷达能够精确探测到目标的距离,随着扫 描线的增加能生成高分辨率的点云数据,并具有良好 的目标边界信息;毫米波雷达则能抵抗雨天、雪天等 恶劣的天气条件,不受颜色、光照等影响,价格相对便 宜. 在实际的自动驾驶情况下,通过单一类型的传感 器进行目标检测是远远不够的. 首先,每种传感器都 有其固有的缺点. 例如,相机易遭受光线强弱及物体遮 挡影响,缺乏距离信息;激光雷达价格昂贵,易受天气影响等;毫米波雷达捕获的点云很稀疏,噪声多. 表1 归纳了自动驾驶中几种典型传感器的优缺点.其次,要 实现真正的自动驾驶,我们需要应对多样化的天气、道 路和交通条件,确保在不同环境下都能提供可靠的感 知结果,依靠单一类型的传感器是难以满足的. 为了克 服单一传感器的局限性,多模态融合成为一种重要的 解决方案. 多模态融合[1,4~7]是指将多个传感器(如相 机、激光雷达、毫米波雷达等)的数据进行融合,以综合 利用它们各自的优势,从而提高目标检测的准确性、鲁 棒性和可靠性.
近年来出现了不少关于3D目标检测的综述文 章[1~5],与现有的综述相比,本文更全面地阐述了自动 驾驶场景中的单模态和多模态目标检测算法,即对基 于相机、激光雷达、传统毫米波雷达(简称雷达)以及新 兴的4D毫米波雷达(简称4D雷达)的单个传感器检测 和多传感器融合检测进行了分类归纳和典型算法分 析,并对不同自动驾驶场景下各类检测算法的适用性 进行归类. 另外,本文还在公共数据集上对比了不同传 感器的经典算法,并分析了其性能差异. 表2总结了单 模态方法和多模态方法的优缺点.

2 自动驾驶中的3D目标检测

2. 1 单模态的3D目标检测

单一模态的3D目标检测是指在仅使用一种传感 器或一种数据模态的情况下进行3D目标检测的任 务[3]. 在本节中,我们对自动驾驶领域中经典的单模态 3D目标检测算法进行分类阐述.

2. 1. 1 基于相机的3D目标检测算法

相机使用光学传感器捕获环境的2D图像信息,可 以通过视差、纹理、颜色等特征来推断目标的深度和位 置. 然而,相机在距离测量和遮挡物处理方面存在挑 战,对光照和纹理变化敏感,并且在低光或高光照条件 下性能下降. 尽管相机存在定位准确性欠佳和光照敏 感的缺点,但因其能展示丰富的纹理和色彩,具有良好的可视效果以及成本低廉等优势,仍然是当前目标检 测算法的研究热点之一.
基于相机的3D目标检测旨在给定RGB图像和相 应的相机参数下,对感兴趣的对象进行分类和定位. RGB图像是2D数据,因此基于相机的3D目标检测的 核心问题在于如何从2D数据当中生成3D结果. 根据 该问题,我们可以将基于相机的3D目标检测方法进一 步分为基于结果升维的方法、基于特征升维的方法和 基于数据升维的方法.

(1)结果升维

基于结果升维的方法[8~14]利用传统的2D目标检测 算法,在RGB图像中检测出目标的2D边界框,然后从 这些结果中得到3D位置. 为了获得目标的3D位置,常 用解决方案是使用卷积神经网络(Convolutional NeuralNetwork,CNN)估计深度值,CNN是一种强大的深度学 习模型,具有良好的特征提取、学习及表示能力. 通过 将包含目标的图像块作为输入,CNN可以学习到输入 图像与目标深度之间的非线性关系.然后应用公式(1) 将2D坐标投影到3D空间:
其中,d是通过CNN估计的深度值,(Cu ,Cv )是图像的中 心点,f是相机焦距,(u,v)是目标的2D坐标,(x,y,z)是 目标的3D坐标. 然而,仅通过CNN进行深度值估计来 确定3D位置可能面临估计误差等问题. 在这种情况 下,需要设计中间模块来提取更具效用的特征,同时在 本质上帮助网络建立与全局最优值之间的关联
为了提高检测精度,Xu等人[8]提出基于端到端的 多级融合框架. 整个网络由两部分组成,一部分用于生 成二维区域建议,另一部分用于同时预测目标的位置、 方向、尺寸. 作者引入全卷积网络(Fully Convolutional Network,FCN)估计每个像素的视差信息,利用摄像机 标定文件得到近似的深度和伪点云,对估计信息进行 叠加,实现3D定位. 这一方法通过将不同参数预测解 耦来实现3D目标检测,尽管在实践中能够提升3D定位 的精确性,但依赖子网性能,增加了系统的复杂性,计 算效率有待提高.
为了降低检测复杂度,Duan等人[9]提出了一种基 于关键点估计的检测网络CenterNet. 具体而言,将目标 编码成一个关键点(文中取2D边界框中心点),将关键 点视为图像平面上的3D投影位置,利用估计的深度和 摄像机参数将其反向投影到3D空间. 尽管这个检测器 在架构上看起来非常简单,但在许多任务和数据集上 都取得了不错的性能,很多工作都是在此模型的基础 上进行改进的.Ma等人[10]基于CenterNet网络提出了单 目定位误差(Delving into Localization Errors for Monocu⁃ lar,MonoDLE)的检测算法,通过大量实验定量分析发 现定位误差是制约单目3D 检测的重要因素,给出了三 种定位误差的改进策略,包括估计2D边界框中心点和 3D投影中心的偏差来确定关键点,调整训练样本,优化 损失函数.Zhang等人[11]同样基于CenterNet网络,区分 了完整目标和残缺目标,设计了灵活的单目检测(Flex⁃ ible Monocular,MonoFlex)算法. 对于完整物体,通过预 测2D框中心点与3D框投影坐标之间的偏差来确定关 键点;对于截断物体,该方法预测2D框中心和3D框中 心投影点与图像边沿之间交点的偏差来确定关键点. 但由于缺乏准确深度信息,两种算法难以精确定位 物体.
基于CenterNet的方法在特征提取时聚焦于局部区域,可能导致深度预测误差符号一致,从而阻碍深度 精度提升. 因此,Yan等人[14]提出基于深度互补的 3D 目标检测方法(Monocular 3D object detection with Complementary Depths,MonoCD),利用全局深度线索来 缓解局部相似性,并结合多个深度线索之间的几何关 系来实现深度互补,提高了深度估计精度. 然而,该方 法在泛化能力方面有一定的局限性,对新场景的适应 能力可能较差.

(2)特征升维

基于特征提升的方法[15~24]旨在将图像坐标系中的 2D图像特征转换为世界坐标系中的3D特征. 具体而 言,首先从输入的2D图像中提取出一系列与目标物体 相关的特征. 这些特征可能包括颜色、纹理、边缘等图 像特征. 然后,通过将这些2D图像特征与相机的内外 参数进行关联,将其映射到世界坐标系中. 在世界坐标 系中,每个目标物体都具有其特定的3D坐标,表示其 在空间中的位置.
Roddick 等人[15]提出基于正交特征变换法(Ortho⁃ graphic Feature Transform,OFT)的检测网络,旨在解决 如何将基于图像的2D特征映射到3D空间,以实现特征 升维. 它通过将自定义体素的左上角(u1 ,v1 )和右下角 (u2 ,v2 )投影到视图像特征的区域上,使用式(2)累积2D 特征来获得体素特征:
其中,V(x,y,z)和F(u,v)表示3D体素(x,y,z)和2D像 素(u,v)的特征. 该方法在资源有限的情况下提供了一 种更有效的方法来解释和理解3D环境,然而因其直接 基于2D特征得到3D特征,检测性能很大程度上依赖于 特征提取器.
为提高检测性能,Reading等人[17]提出了基于分类 深度分布网络(Categorical Depth Distribution Network, CaDDN)的检测算法.CaDDN把连续深度空间离散化为 多个深度区间,将深度估计视为分类任务. 接着将图像 特征与估计的深度关联起来,即使用式(3)将图像信息 投影到3D空间中:
其中,(u,v)表示像素点坐标,D(u,v)表示预测的深度 分布,F(u,v)为提取的图像特征,G(u,v)为视锥特征, ⊗代表张量积. 进而,使用三线性插值法对视锥特征进 行采样来填充体素,从而得到3D特征. 然而,该方法使 用预先训练过的深度估计器的方法,存在额外的计算 成本,并且不准确的深度先验会影响性能提升
Li等人提出了一种基于时空Transformer的鸟瞰 图表示方法BEVFormer,该方法不依赖深度信息,通过 在跨视图视角中动态聚合空间和时间信息,生成准确的鸟瞰图特征用于目标检测,提高了检测精度.Zhang 等人[23]则沿用了CaDDN的分类深度方法思想,提出基 于深度引导的3D目标检测(Depth-guided Transformer for Monocular,MonoDETR)算法,通过量化连续深度值 来预测前景深度图,并利用Transformer结构,结合预测 的深度信息来引导特征提取,从而使网络能够更加关 注细节目标,并且无需进行任何后处理. 此外,作者将 这种深度引导方法引入BEVFormer中,进一步提升了 该算法的检测精度. 但由于单目视觉方法的固有限制, 与采用激光雷达技术或多模态融合技术的方法相比, 这两种算法在精度和性能方面仍存在一定差距.

(3)数据升维

基于数据升维的方法将2D图像转换为3D伪点云, 然后从得到的伪点云中提取3D特征. 首先需要从图像 中估计密集深度图,并根据坐标转换推导出像素的3D 位置. 通过将所有像素投影到3D坐标中来生成伪点 云. 之后使用伪点云作为输入,利用基于点云的检测方 法检测目标. 其中,基于数据升维的模型的性能在很大 程度上依赖于估计深度图的质量.Wang等人[25]基于视 觉深度估计,提出从图像生成伪激光雷达(Pseudo lidar)的检测方法. 该方法利用立体视差法估计深度, 即以一对左右图像作为输入,然后进行特征提取得到 左右特征图,拼接左右特征图构建视差成本容积,用于 表示每个像素点在不同视差情况下的匹配成本. 然后 再经过3D卷积和Softmax函数得到Y(u,v),Y(u,v)记录 每个像素的水平视差,利用式(4)估计每个像素点的深 度D(u,v):
其中,fU 为左视图焦距,b为左右视图的水平偏移量,Y (u,v)为像素点(u,v)的左右水平视差. 进而,将深度图 反向投影到激光雷达点云坐标系上生成伪点云. 该方 法将图像表示转换成伪点云表示,但图像视差中的小 偏差会造成远距离深度换算的大误差,导致远处物体 位置估计效果不佳.
You等人[26]改进了Pseudo-lidar深度估计方法,提 出了Pseudo-lidar++算法,同样是以一对左右视图作为 输入,对左右视图进行特征提取并拼接构建视差成本 容积. 不同是该方法将视差成本容积转换成深度成本 容积,深度成本容积存储了每个像素的深度可能性. 通 过优化深度估计方法提高伪点云表示的准确性,但生 成的伪点云与真实点云仍存在偏差.此外,作者还探索 了利用低成本的4线激光雷达传感器采集极其稀疏的 点云作为辅助,来纠正深度估计偏差. 图1展示了不同 方法产生的伪点云,可以看出由激光雷达辅助产生的 伪点云(紫色)比起图像估计的伪点云(红色),与真实目标(蓝色)的差距更小.

(4)相机检测算法小结

基于结果升维的方法是一类在2D特征维度上进 行处理的目标检测方法,能够充分利用已经发展成熟 的2D目标检测方法,易于实现和部署,但这类方法无 法充分利用3D信息,难以获取目标的精确3D位置和姿 态. 基于特征升维和基于数据升维的方法在3D特征维 度上进行处理. 其中,基于数据升维的方法可以增加数 据表示形式,提升检测性能,但伪点云的生成很大程度 依赖于深度估计的准确性. 基于特征升维的方法通过 提取更丰富、更具信息量的3D特征来实现3D目标检 测,但在特征提取的过程可能会受到数据质量和噪声 的影响.
图2给出了近几年基于相机的部分检测算法及应 用场景分类,表3总结了上述介绍的基于相机的部分检 测算法特点,可以发现基于特征提升和结果提升的方 法是目前比较主流的方法.

2. 1. 2 基于激光雷达的3D目标检测算法

激光雷达通过向周围发射激光束并测量其返回时 间来感知环境. 尽管激光雷达的成本较高,对天气条件 敏感(如雨雪、雾等),且难以识别目标的细节特征,但 因其能提供精确的距离测量、高分辨率的点云数据、良 好的目标边界信息和准确的物体姿态估计[27],是自动 驾驶领域不可或缺的感知设备. 激光雷达生成的点云 具有丰富的3D信息,根据点云的处理方法可以将基于 激光雷达的3D物体检测方法分为以下三类:基于原始 点集的方法、基于体素的方法和基于体素-点的方法.

(1)基于原始点集

基于原始点集的检测算法[28~34]是一种直接从原始 点云数据中提取特征并进行目标检测的算法. 点云本 质上是一长串点,并且在空间上具有无序性和旋转性 的特点[28]. 无序性指点的顺序不影响它在空间中对整 体形状的表示,例如,相同的点云可以由两个完全不同 的矩阵表示. 旋转性指相同的点云在空间中经过一定 的刚性变化后,坐标会发生变化. 基于原始点集的方法 需要确保无论点云的顺序如何,都能获得相同的特征
提取结果,并且,这些方法不受点云在不同坐标系下的 表现方式的影响.
Qi等人[28]首先基于原始点集编码提出了Point⁃ Net,网络框架如图3所示.该框架将点云中的每个点 作为独立同分布输入,通过一系列的神经网络将点 云从低维表示映射到高维特征表示,作者在高维特征后添加最大池化操作解决点云无序性问题,利用 特征变换解决旋转性问题. 然而,PointNet是对每一 个点做从低维到高维的映射的学习,缺少局部的 概念
为解决上述问题,该团队提出了PointNet网络的升 级版PointNet++[29]. 作者在PointNet的基础上,添加了 集合抽象(Set Abstraction,SA)层来提取局部特征. SA层由采样层、分组层和特征提取层组成. 其中,采样层 利用最远点采样(Farthest Point Sampling,FPS)在点云 中抽取部分点作为中心点,分组层在中心点周围寻找K 个临近点组成局部区域点集,特征提取层提取每个局 部区域点集特征,通过对局部区域进行特征迭代,提取 丰富局部信息. 但对于具有大量噪声的点云数据, PointNet++网络可能会受到影响.
Qian等人[33]为提高PointNet++的检测精度,改进了 训练策略,提出了PointNeXt算法. 通过叠加实验定量 地研究每个数据集上每种数据增强方法和优化策略的 效果,针对每种数据集提出改进的优化策略. 此外,作 者提出反向残差多层感知机(Inverted Residual MLP,In⁃ vResMLP)模块,该模块在SA模块的基础上引入了残差 连接以缓解梯度消失问题,并利用了可分离的MLP结 构来降低计算复杂度. 然而,该方法的改进仅限于现有 模块,没有引入新的体系结构.
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  71. /yingpanguazai/ssd/ssd1/www/e.mffb.com.cn/vendor/topthink/framework/src/think/Db.php ( 2.88 KB )
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  81. /yingpanguazai/ssd/ssd1/www/e.mffb.com.cn/vendor/topthink/framework/src/think/cache/Driver.php ( 9.03 KB )
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  90. /yingpanguazai/ssd/ssd1/www/e.mffb.com.cn/vendor/topthink/framework/src/think/session/driver/File.php ( 6.27 KB )
  91. /yingpanguazai/ssd/ssd1/www/e.mffb.com.cn/vendor/topthink/framework/src/think/contract/SessionHandlerInterface.php ( 0.87 KB )
  92. /yingpanguazai/ssd/ssd1/www/e.mffb.com.cn/vendor/topthink/framework/src/think/session/Store.php ( 7.12 KB )
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  99. /yingpanguazai/ssd/ssd1/www/e.mffb.com.cn/route/app.php ( 1.72 KB )
  100. /yingpanguazai/ssd/ssd1/www/e.mffb.com.cn/vendor/topthink/framework/src/think/facade/Route.php ( 4.70 KB )
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