一份指南，鼓励大家在家训练自动驾驶系统的感知能力

自动驾驶汽车依靠摄像头、激光雷达以及雷达等等传感器来感知周围的变化，感知能力对自动驾驶来说非常重要。本文是一份指南，鼓励大家在家训练自动驾驶系统的感知能力。

△ 神秘的视觉

感知，大概就是感受到周遭正在发生什么的一种能力。这项技能对自动驾驶来说太重要了。

自动驾驶汽车依靠摄像头、激光雷达以及雷达等等传感器来感知周围的变化。

一位名叫凯尔 (Kyle Stewart-Frantz) 的大叔，准备了一份指南，鼓励大家在家训练自动驾驶系统的感知能力。

当然，这个手册并不是他出于爱好写出来的，是随着Lyft和Udacity联合发起的感知挑战赛 (Lyft Perception Challenge)，而生的。

比赛考验的就是系统能不能准确地感受到，可以行驶的路面在哪里，周围的汽车在哪里。

挑战赛中，能够倚仗的所有数据，都来自车载的前向摄像头。

摄像头不存在？

这里的“摄像头数据”并非真实摄像头记录的影像，而是一个名为CARLA的模拟器生成的图景。

毕竟，自动驾驶汽车的软件开发大多是在模拟器中进行的，那里快速的原型设计和迭代，比在现实世界里使用真实硬件要高效得多。

那么，来看一下CARLA给的数据长什么样——

左边是模拟摄像头捕捉的画面，右边则是与之对应的、标记好的图像。

用这样的数据来训练算法，让AI能够在从未见过的新鲜图像里，判断出哪些像素对应的是道路，哪些部分对应的是其他车辆。

这就是挑战赛的目标。

车前盖太抢镜？

要完成比赛任务，自然会想到语义分割。用这种方式来训练神经网络，成熟后的AI便可以判断每个像素里包含的物体了。

第一步，是对标记好的图像做预处理。比如，因为设定是“车载前向摄像头”拍下的画面，每一幅图像都会出现车前盖，可是如果这样就把所有图像判定为“车”，就不太好了。

所以要把显示车前盖的那些像素的值设为零，或者贴上其他的“非车”标签。

第二步，车道标识和道路的值是不一样的，但我们希望这些标识，可以被识别为路面的一部分。

△ 这不是给汽车的指示，但也太随性了

所以，要把车道标识和路面，贴上一样的标签。

用Python写出来，预处理功能就长这样——

1def preprocess_labels(label_image): 2    labels_new = np.zeros_like(label_image) 3    # Identify lane marking pixels (label is 6) 4    lane_marking_pixels = (label_image[:,:,0] == 6).nonzero() 5    # Set lane marking pixels to road (label is 7) 6    labels_new[lane_marking_pixels] = 7 7 8    # Identify all vehicle pixels 9    vehicle_pixels = (label_image[:,:,0] == 10).nonzero()10    # Isolate vehicle pixels associated with the hood (y-position > 496)11    hood_indices = (vehicle_pixels[0] >= 496).nonzero()[0]12    hood_pixels = (vehicle_pixels[0][hood_indices], 13                   vehicle_pixels[1][hood_indices])14    # Set hood pixel labels to 015    labels_new[hood_pixels] = 016    # Return the preprocessed label image 17    return labels_new

预处理过后的结果，就是标记和之前的不太一样了。

准备活动做好了，神经网络的正式训练也就可以开始了。

谁是分类小公主？

那么，大叔选的是怎样的神经网络？

定制一个FCN-Alexnet或许是个不错的选项，它擅长把每个像素分到不同的类别里。

循着以下链接，可以找到这个模型的详细信息——

代码：

https://github.com/shelhamer/fcn.berkeleyvision.org/tree/master/voc-fcn-alexnet

论文：

https://arxiv.org/pdf/1605.06211.pdf

大叔用一个随机梯度下降solver，把全部训练数据跑了10次 (10 epochs) ，基础学习率设的是0.0001。

评估训练成果

拿训练好的神经网络去跑验证数据，凯尔得到了0.6685的F2值，以及0.9574的F0.5值 (前者更重视召回率，后者更重视准确率) 。系统每秒处理6.06幅图像。

当然，视频会比这些数字更加生动

然后还想怎样？

大叔说，要让神经网络表现更好，将来会搜集更多数据，涉及更加丰富的路况。

另外，要进行一系列的数据增强，让数据和数据之间的差异更加明显。

关于神经网络的结构，也还有其他选择，比如为细粒度预测而生的FCN-8，值得尝试。

还有，可以引入时态数据 (光流) ，来减少推断需要的帧数，同时保持比较高的准确度。

模拟器不够真？

当然，只有模拟器也是不够的，自动驾驶系统终究要接受现实的考验。

面对真实摄像头传出的画面，系统的辨识结果并没有非常理想。不过在许多帧里面，神经网络都能够在一定程度上，辨认出道路和车辆。

真实世界和模拟器里的驾驶场景，还是不一样的。

如果模拟器生成的图像和现实更加接近的话，可能结果就会好一些了。

不难看到，在和模拟器设定更为接近的路况下，系统的表现还是很不错的。

如此看来，这只AI还是很有前途。只要把模拟器造得更贴近真实，神经网络应该就能得到更有效的训练。

这里提供一段代码，可以用来查看，算法跑出的结果到底怎么样——

1from moviepy.editor import VideoFileClip, ImageSequenceClip 2import numpy as np 3import scipy, argparse, sys, cv2, os 4 5file = sys.argv[-1] 6 7if file == 'demo.py': 8    print ("Error loading video") 9    quit1011def your_pipeline(rgb_frame):1213    ## Your algorithm here to take rgb_frame and produce binary array outputs!1415    out = your_function(rgb_frame)1617    # Grab cars18    car_binary_result = np.where(out==10,1,0).astype('uint8')19    car_binary_result[496:,:] = 020    car_binary_result = car_binary_result * 2552122    # Grab road23    road_lines = np.where((out==6),1,0).astype('uint8')24    roads = np.where((out==7),1,0).astype('uint8')25    road_binary_result = (road_lines | roads) * 2552627    overlay = np.zeros_like(rgb_frame)28    overlay[:,:,0] = car_binary_result29    overlay[:,:,1] = road_binary_result3031    final_frame = cv2.addWeighted(rgb_frame, 1, overlay, 0.3, 0, rgb_frame)3233    return final_frame3435# Define pathname to save the output video36output = 'segmentation_output_test.mp4'37clip1 = VideoFileClip(file)38clip = clip1.fl_image(your_pipeline)39clip.write_videofile(output, audio=False)

用到的可视化数据在这里：https://s3-us-west-1.amazonaws.com/udacity-selfdrivingcar/Lyft_Challenge/videos/Videos.tar.gz

你也一起来吧？

当然，作为Lyft感知挑战赛的研发负责人，凯尔大叔这番苦口婆心的目的，还是吸引更多的小伙伴掺和进来。

道路安全，人人有责。大概就是这个意思，吧。