技術(shù)一直是將我們從最無聊的任務(wù)中解放出來的工具。對于現(xiàn)代世界中的許多人來說，沒有什么比在早上通勤時堵車，或者連續(xù)數(shù)小時處理高速公路催眠和長周末交通更令人厭煩的事情了。雖然這引發(fā)了人們對自動駕駛汽車（AV）的極大興奮，但2噸重的金屬片在無人看管的情況下四處亂竄的前景也導(dǎo)致人們重新關(guān)注技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)其安全運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)超人的安全1，各種動態(tài)物體（如其他汽車、行人和自行車）的詳細(xì) 3D 地圖通常被認(rèn)為是自動駕駛汽車必不可少的。 光探測和測距 （LIDAR） 傳感器通常被認(rèn)為是船上最有用的系統(tǒng)之一，因為它們能夠形成如此詳細(xì)的地圖。

自動駕駛汽車能夠可靠地檢測到道路上物體的存在越遠(yuǎn)，規(guī)避操作就越容易。Analog Garage（ADI公司的技術(shù)中心）的研究人員研究了擴(kuò)大激光雷達(dá)系統(tǒng)的檢測范圍，并開發(fā)了一種利用物體移動的物理約束來擴(kuò)展范圍的方法。為了理解這一點(diǎn)，我們首先解釋激光雷達(dá)的工作原理。

激光雷達(dá)的工作原理

激光雷達(dá)系統(tǒng)向物體發(fā)射激光脈沖，并測量光從物體反射并返回傳感器所需的時間，如圖2所示。通過沿水平和垂直方向掃描激光，激光雷達(dá)系統(tǒng)形成其前方場景的完整3D地圖。每個這樣的地圖都稱為框架。現(xiàn)代激光雷達(dá)系統(tǒng)的幀速率通常在每秒 10 到 30 幀 （fps） 之間。

圖2.激光雷達(dá)的工作原理。

一旦激光向特定方向發(fā)射，傳感器就會記錄來自該方向的光，將其轉(zhuǎn)換為電信號，并使用稱為匹配濾波器的技術(shù)在該信號中搜索激光脈沖形狀的位置。將匹配濾波器的輸出與閾值進(jìn)行比較，如果信號超過閾值，則聲明檢測。

檢測限

當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)世界中沒有什么是理想的。激光雷達(dá)中的檢測過程引入了噪聲，包括來自接收器各個組件的電噪聲和來自探測器本身的光噪聲。因此，只有從物體接收到足夠的光，使匹配的濾波器能夠?qū)⒃撔盘柵c噪聲區(qū)分開來，才能檢測到物體。

物理學(xué)告訴我們，光的強(qiáng)度下降是它從源頭行進(jìn)的距離的平方。實(shí)際上，這意味著激光雷達(dá)系統(tǒng)從200米外的物體接收的反射激光量僅為100米外同一物體接收的光量的四分之一。

因此，我們的匹配濾波器將更難看到更遠(yuǎn)的物體，并且在極端情況下，當(dāng)物體足夠遠(yuǎn)時，激光雷達(dá)系統(tǒng)將不可見它。圖3顯示，我們成像的汽車的返回信號幅度隨著距離的流逝而急劇下降，在220米外，信號與噪聲基本無法區(qū)分，并且被設(shè)置的檢測閾值所遺漏。

圖3.距離對激光雷達(dá)回波信號的影響。

我們可以通過設(shè)置一個非常低的檢測閾值來解決這個問題，這樣圖 3 中 220 m 處的汽車就可見了。顯然，考慮到SNR水平，我們也會檢測到很多噪聲。現(xiàn)在，一個完整的3D數(shù)據(jù)幀中有許多閃光燈 - 其中一些對應(yīng)于對象，其中一些只是噪聲。例如，圖 4 顯示了 LIDAR 幀的一個垂直切片（即固定垂直角度）中的所有檢測（閾值后）。大多數(shù)檢測只是噪聲，但有些確實(shí)對應(yīng)于真實(shí)對象。我們怎么知道哪個是哪個？雖然僅用一幀很難做到這一點(diǎn)，但在我們看到幾幀數(shù)據(jù)后，它變得更加可行。

圖4.激光雷達(dá)框架的單個垂直切片。

螢火蟲工藝

為了理解原因，我們可以像這樣模擬閃光燈：假設(shè)有一只螢火蟲在一個盒子周圍嗡嗡作響，我們每隔一段時間就會看到螢火蟲的閃光。不幸的是，我們也看到來自環(huán)境的隨機(jī)閃光，這些閃光可能發(fā)生在任何地方。更糟糕的是，我們有時會錯過螢火蟲的閃光，我們測量螢火蟲的位置通常不是很完美。

我們問的基本問題是“給定一個閃光序列，其中每個閃光都是來自單個幀的閃光，我們能判斷整個序列是否來自螢火蟲嗎？給這些問題的技術(shù)術(shù)語是假設(shè)檢驗。我們必須做出決定的信息是幀每秒到達(dá) 10 次（幀速率為 10 fps），并且螢火蟲只能在這段時間內(nèi)以物理上合理的方式移動。例如，螢火蟲不能在框架中穿過盒子的長度，因為那在物理上是不切實(shí)際的速度;而且它不能在 2 幀內(nèi)反轉(zhuǎn)方向，因為那將是物理上不切實(shí)際的加速。

換句話說，我們可以使用的信息是，螢火蟲所遵循的軌跡必須是物理對象確實(shí)可以采取的軌跡。應(yīng)用這些基于軌道的約束可以讓我們將它們與噪聲產(chǎn)生的軌道區(qū)分開來。假設(shè)檢驗的語言使我們能夠確定并應(yīng)用給定任意長度軌跡的約束的數(shù)學(xué)形式。給定來自連續(xù)兩幀和三幀的閃光，約束只是對軌道速度和加速度的限制。對于較長的軌道，約束沒有那么簡單的解釋，但應(yīng)用起來非常簡單。

結(jié)果

圖 5 演示了該技術(shù)在兩個簡單場景中的有效性。左邊的圖像是框架中內(nèi)容的真實(shí)地圖，為了簡單起見，道路等物體被剝離了。中間的圖像顯示了我們從具有合理閾值的傳統(tǒng)處理中得到的結(jié)果，右側(cè)顯示了我們在螢火蟲處理后得到的結(jié)果。螢火蟲過程可檢測近300米外的物體。最先進(jìn)的激光雷達(dá)系統(tǒng)的范圍約為150米。

圖5.通過使用螢火蟲過程進(jìn)行跟蹤進(jìn)行檢測的示例。

表1顯示了從螢火蟲處理和常規(guī)處理中獲得的檢測（%）和誤報數(shù)量（每幀）（MF代表匹配濾波器）。設(shè)置檢測閾值，以便我們根據(jù)預(yù)先收集的統(tǒng)計數(shù)據(jù)具有 99.9% 的置信度，即特定峰值對應(yīng)于某個對象。但是，檢出率非常低。使用軌道約束有很大幫助。

結(jié)論

螢火蟲過程描述了物體如何移動的邊界，也就是說，它詳細(xì)說明了約束，不是針對探測器或信號鏈，而是針對它們正在測量的物體。我們認(rèn)為，它提高檢測率的能力有一個重要的教訓(xùn)：通過利用我們設(shè)計的系統(tǒng)外部的約束和想法，通常可以大大改善傳統(tǒng)的檢測和信號鏈問題。我們希望繼續(xù)利用這些見解來設(shè)計更智能、更復(fù)雜的信號鏈，并盡可能繼續(xù)從利用非常規(guī)約束中獲得優(yōu)勢。

審核編輯：郭婷