BEVFusion-编程知识

1. 简介

融合激光雷达和相机的信息已经变成了3D目标检测的一个标准，当前的方法依赖于激光雷达传感器的点云作为查询，以利用图像空间的特征。然而，人们发现，这种基本假设使得当前的融合框架无法在发生 LiDAR 故障时做出任何预测，无论是轻微还是严重。这从根本上限制了实际场景下的部署能力。相比之下，在BEVFusion框架中，其相机流不依赖于 LiDAR 数据的输入，从而解决了以前方法的缺点。

有两个版本的BEVFusion，分别是北大与阿里合作的Bevfusion: A Simple and Robust LiDAR-Camera和麻省理工发表的Bevfusion: Multi-task multi-sensor fusion with unified bird's-eye view representation，下面分别进行介绍。

2. PKU BEVFusion

作者认为，LiDAR和相机融合的理想框架应该是，无论彼此是否存在，单个模态的每个模型都不应该失败，但同时拥有两种模态将进一步提高感知准确性。为此，作者提出了一个令人惊讶的简单而有效的框架，它解决了当前方法的LiDAR相机融合的依赖性，称为BEVFusion。具体来说，如图1 (c)所示，作者的框架有两个独立的流，它们将来自相机和LiDAR传感器的原始输入编码为同一BEV空间内的特征。然后作者设计了一个简单的模块，在这两个流之后融合这些BEV的特征，以便最终的特征可以传递到下游任务架构中。由于作者的框架是一种通用方法，作者可以将当前用于相机和LiDAR的单模态BEV模型合并到作者的框架中。作者采用Lift-Splat-Shoot作为相机流，它将多视图图像特征投影到3D车身坐标特征以生成相机BEV特征。同样，对于LiDAR流，作者选择了三个流行的模型，两个基于超体素（voxel）的模型和一个基于柱子（pillar）的模型将LiDAR特征编码到BEV空间中。

图1 框架对比。以前的融合方法可以大致分为 (a) 点级point-level融合机制，将图像特征投影到原始点云上，即找到点云和图像特征对应的部分，融合信息，以及 (b) 特征级融合机制，分别在每个视图图像上投影LiDAR特征或proposal以提取RGB信息。(c) 相比之下，作者提出一个新框架，相机和lidar的输入分开

图2 BEVFusion框架。两个流分别提取特征并将它们转换到相同的BEV空间：i）将相机视图特征投影到3D车身坐标以生成相机BEV特征；ii) 3D backbone从点云中提取LiDAR BEV特征。然后融合两种模态的BEV特征。最后，基于融合的BEV特征构建特定任务的头部，并预测3D目标。其中蓝框是预测，红圈是错误预测

3. MIT BEVFusion

3.1. 统一表示

不同的视图中可以存在不同的特征。例如，相机特征在透视视图中，而激光雷达/雷达特征通常在3D/鸟瞰视图中。即使是相机功能，每个功能都有不同的视角(即前、后、左、右)。这个视图差异使得特征融合变得困难，因为不同特征张量中的相同元素可能对应完全不同的空间位置(在这种情况下，naïve elementwise特征融合将不起作用)。因此，找到一个共享的表示是至关重要的，这样(1)所有传感器特征都可以很容易地转换为它而不丢失信息，(2)它适合于不同类型的任务。

相机。在RGB-D数据的激励下，一种选择是将LiDAR点云投影到相机平面上，并渲染2.5D稀疏深度。然而，这种转换在几何上是有损的。深度图上的两个邻居在3D空间中可以彼此远离。这使得相机视图对于专注于物体/场景几何的任务(如3D物体检测)的效果较差。

激光雷达。大多数最先进的传感器融合方法用相应的摄像机特征(例如语义标签、CNN特征或虚拟点)装饰LiDAR点。然而，这种摄像头到激光雷达的投影在语义上是有损耗的。相机和激光雷达功能的密度有很大的不同，导致只有不到5%的相机功能与激光雷达点匹配(对于32通道激光雷达扫描仪)。放弃相机特征的语义密度严重损害了模型在面向语义任务(如BEV地图分割)上的性能。类似的缺点也适用于潜在空间中的最新融合方法(例如，对象查询)。

鸟瞰图。采用鸟瞰图(BEV)作为融合的统一表示。这个视图对几乎所有的感知任务都是友好的，因为输出空间也是在BEV中。更重要的是，向BEV的转换同时保持几何结构(来自激光雷达特征)和语义密度(来自相机特征)。一方面，LiDAR- bev投影将稀疏的LiDAR特征沿高度维度平坦化，从而不会在图1a中产生几何失真。另一方面，相机到BEV投影将每个相机特征像素投射回3D空间中的射线(下一节将详细介绍)，这可能导致图1c中密集的BEV特征映射，其中保留了来自相机的完整语义信息。

3.2. 高效的摄像头到BEV的转换

摄像头到BEV的转换不是简单的，因为与每个摄像头特征像素相关的深度本质上是模糊的。根据LSS和BEVDet，他们明确地预测了每个像素的离散深度分布。然后，他们将每个特征像素沿摄像机射线分散到D个离散点，并根据相应的深度概率重新缩放相关特征(图3a)。这将生成一个大小为N HW D的相机特征点云，其中N是相机的数量，(H, W)是相机特征映射的大小。该三维特征点云沿x、y轴进行量化，步长为r(例如0.4m)。他们使用BEV池化操作来聚集每个r × r BEV网格中的所有特征，并沿z轴将特征平坦化。

虽然简单，但BEV池化的效率和速度惊人地低，在RTX 3090 GPU上需要超过500毫秒(而他们模型的其余部分只需要大约100毫秒)。这是因为摄像特征点云非常大：对于典型的工作负载，每帧可能生成大约200万个点，比激光雷达特征点云的密度大两个数量级。为了克服这一效率瓶颈，他们提出了通过预计算和间隔缩短来优化BEV池。

预先计算。BEV池化的第一步是将摄像机特征点云中的每个点与BEV网格关联。与LiDAR点云不同，相机特征点云的坐标是固定的(只要相机的intrinsic和extrinsics保持不变，这通常是在适当校准后的情况下)。在此基础上，他们预先计算每个点的3D坐标和BEV网格索引。他们还根据网格索引对所有点进行排序，并记录每个点的排名。在推理过程中，他们只需要根据预先计算的秩对所有特征点进行重新排序。这种缓存机制可以将网格关联的延迟从17ms减少到4ms。

间隔的减少。网格关联后，同一BEV网格内的所有点在张量表示中都是连续的。BEV池化的下一步是通过一些对称函数(例如，均值、最大值和和)聚合每个BEV网格中的特征。如图3b所示，现有实现首先计算所有点的前缀和，然后减去索引变化边界处的值。然而，前缀和操作需要GPU上的树约简，并产生许多未使用的部分和(因为他们只需要边界上的那些值)，这两者都是低效的。为了加速特征聚合，他们实现了一个专门的GPU内核，它直接在BEV网格上并行：他们为每个网格分配一个GPU线程，计算它的间隔和并将结果写回来。该内核消除了输出之间的依赖关系(因此不需要多级树约化)，并避免将部分和写入DRAM，将特征聚合的延迟从500ms减少到2ms(图3c)。

其他。通过优化的BEV池化，相机到BEV的转换速度提高了40倍：延迟从超过500ms减少到12ms(仅占他们模型端到端运行时间的10%)，并且在不同的特征分辨率上都能很好地伸缩(图3d)。这是在共享BEV表示中统一多模态感官特征的关键使能器。我们同时进行的两项工作也确定了仅在相机的3D检测中的效率瓶颈。他们通过假设均匀的深度分布或截断每个BEV网格中的点来近似视图转换器。相比之下，他们的技术是精确的，没有任何近似，同时仍然更快。

3.3. 全卷积融合

将所有的感官特征转换为共享的BEV表示，他们可以很容易地用一个元素操作符(如拼接)将它们融合在一起。尽管在同一空间中，由于视图转换器的深度不准确，LiDAR BEV特征和相机BEV特征仍然会在一定程度上出现空间错位。为此，他们应用了一个基于卷积的BEV编码器(带有一些剩余块)来补偿这种局部失调。他们的方法可能从更精确的深度估计中受益(例如，用地面真实深度监视视图转换器)，他们将其留给未来的工作。