卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）在汽車無人駕駛中的應(yīng)用與分析

陳友宣

摘? 要：汽車無人駕駛技術(shù)在實際應(yīng)用過程中會通過高精度的感應(yīng)器監(jiān)測交通環(huán)境，應(yīng)用科學(xué)算法準(zhǔn)確規(guī)劃合理的行車路徑，其中卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在無人汽車駕駛技術(shù)應(yīng)用當(dāng)中有明顯的研究價值。文章對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在汽車無人駕駛中的應(yīng)用進行研究，綜合概述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況，研究分析無人駕駛雙目3D感知模型，無人駕駛物體檢測模型，并綜合說明3D感知與物體檢測之間的關(guān)系，以期對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在汽車無人駕駛中得到有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);汽車無人駕駛;3D感知模型;檢測模型

中圖分類號：U463 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）05-0013-02

引言

2010年以來，汽車無人駕駛技術(shù)得到了飛速發(fā)展，在汽車無人駕駛中重點研究項目就是對駕駛中交通環(huán)境的檢測，其中包含道路識別，汽車運行檢測，行人檢測識別，以及對交通信號的檢測，整個研究項目的內(nèi)容比較多，并且難度比較高。作為重要的視覺領(lǐng)域感知技術(shù)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在汽車無人駕駛中發(fā)揮著重要作用，文章著重研究卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在無人駕駛中的3D感知與物體檢測。

1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的一個分支研究，組成卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型比較多，因此也被稱之為深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在實際應(yīng)用中卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)信號的不間斷輸入，能對不同環(huán)境中的聲音，圖像以及視頻信息進行高速傳輸。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于多層感知器上的改進與發(fā)展，通過有效的空間處理技術(shù)，能夠降低學(xué)習(xí)參數(shù)的實際數(shù)量進而提升其算法的實際性能。與傳統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)向比較，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)局部的連接和系統(tǒng)的權(quán)值共享。

在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過底層信息感知能夠?qū)崿F(xiàn)對區(qū)域進行深度感知，實現(xiàn)對信息數(shù)據(jù)特征的有效獲取。其中的神經(jīng)元可以通過局部感知迅速捕獲到視覺影像以及圖像信息的主要特征情況，這也使得其具有明顯的強魯棒性，這種特性的存在讓卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備了比較強大的詩句表象能力。

2 無人駕駛雙目3D感知模型

在汽車無人駕駛中需要對駕駛環(huán)境進行信息收集完成3D建模，這是保證無人駕駛技術(shù)得以應(yīng)用的關(guān)鍵性技術(shù)。3D建模需要應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)，實現(xiàn)高精度的3D云點分布，攝像頭能夠感知到3D云點的存在，能夠達(dá)到人眼的3D感受效果，以此實現(xiàn)3D建模工作。在模型建立中，將攝像頭之間的距離確定為B，選取建?？臻g中的一點確定為P，P到兩個攝像頭影像的位移距離為d。使用的攝像頭的焦距為f，以此可以計算得出P到攝像頭的距離為：

雙目攝像頭中的單個像素值并不穩(wěn)定，因此需要使用附近像素以及應(yīng)用平滑性假設(shè)，建設(shè)中α以及β的數(shù)值都比較小，確定假設(shè)為d（x，y）≈d（x+α，y+β），因此就可以對前面設(shè)定的d進行最小化求解分析。

在研究中假設(shè)使用的算法與研究圖像對其中使用的光流算法比較相似，問題差異性較小，在此只是將（Il，Ir）變成了（It，It+1）。根據(jù)無人駕駛雙目感知3D建模需要，下面一種基于匹配價格的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，也就是Matching-Cost CNN，也稱為MC-CNN。有關(guān)MC-CNN算法的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在此算法結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的信息收集是兩個不同影響中的一部分，實際輸出是關(guān)于這兩個影響的不匹配概率，整個計算分析過程就是一個cost函數(shù)，在函數(shù)中，如果兩個影像能夠有效匹配，那么函數(shù)的數(shù)值為0，如果無法實現(xiàn)匹配函數(shù)的數(shù)值為1。在信息輸入中可以根據(jù)影像信息圖片確定位置對偏移位置d進行確實，分析d的取值范圍大小，并分析得出最終的CNN最小值，在求得最小值后也就完成了對影像的偏移距離的估算。在此過程完成后需要使用MC-CNN算法進行以下處理工作：第一，應(yīng)用MC-CNN算法中的Cross-based cost aggregation。MC-CNN算法中的成本聚合是對雙目攝像頭收集到的影像進行像素點的偏移值計算，并求得最終的平均值，通過此項工作能夠提高計算值的精度，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。第二，應(yīng)用MC-CNN算法中的Semi-global matching。MC-CNN算法中的半全局匹配算法，這種算法比較常用于雙目中對disparity 的計算，也就是對d的計算。通過此算法能夠?qū)崿F(xiàn)對影像中臨近點的平移相似程度，加入平滑約束對偏移最優(yōu)值進行確定。

進行插值與圖片邊界修正，以此提高算法計算的精度，做好空白補充工作。

3 汽車無人駕駛物體檢測模型

無人駕駛物體檢測技術(shù)是駕駛感知中不可或缺的重要組成部分。相關(guān)物體檢測技術(shù)的算法的學(xué)術(shù)研究比較多，以下選擇具有較強代表性的Faster R-CNN算法進行分析說明：CNN算法將汽車無人駕駛的物體進行了有機分類：一類為物體可能所在區(qū)域的選擇，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中輸入影像圖片時，無法對物體的位置大小進行準(zhǔn)確定位，為了提高分辨物體位置大小的效率需要對區(qū)域內(nèi)的所有物體進行收集信息，以此進行逐步確定，其中召回率是比較關(guān)鍵的一個指標(biāo)。另一類是對候選區(qū)域的識別判定，在圖片信息確定區(qū)域內(nèi)，需要對物體的大小比例進行確定。此項工作中關(guān)鍵指標(biāo)是精度確定。

RPN是Faster R-CNN算法的一個最新發(fā)展形勢，這種算法結(jié)構(gòu)可以有效的選擇確定一個候選單位。在RPN中需要應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)中的卷積層進行逐層提取，在卷積層中輸出信息影響的結(jié)構(gòu)特征圖，并將其進行再次分配，分流到兩個不同的全連接層中，分別對檢測物體的類別以及檢測物體的大小進行確定。通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行計算可以有效地節(jié)省運算時間。詳細(xì)的RPN算法運行結(jié)構(gòu)過程見圖2。

4 3D感知與物體檢測的關(guān)系

無人駕駛的雙目感知是對汽車駕駛環(huán)境信息確定的關(guān)鍵技術(shù)，在3D感知模型中為了實現(xiàn)端到端模型的建立需要對CNN的主要特征進行提取，實現(xiàn)模型的有機匹配和優(yōu)化處理等主要功能。3D感知中的FlowNet通過運用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了3D感知的兩項構(gòu)建工作，主要為收縮與擴張兩個部分。

汽車無人駕駛中的物體檢測需要對物體的變化情況進行及時確定，做好判別工作，在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的層級結(jié)構(gòu)因為與pooling存在著關(guān)于物體尺度的對應(yīng)關(guān)系，作為物體檢測中關(guān)于解決物體范圍變化的主要算法技術(shù)。

二者都是通過神經(jīng)卷積網(wǎng)絡(luò)算法分析技術(shù)的應(yīng)用為汽車無人駕駛提供專業(yè)的技術(shù)支持，是無人駕駛技術(shù)應(yīng)用的核心與關(guān)鍵。

5 結(jié)束語

在研究汽車無人駕駛中的場景識別以及物體檢測的關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)了比較明顯的算法優(yōu)勢，實現(xiàn)了3D感知與物體感知技術(shù)的快速應(yīng)用與迭代。未來將在MC-CNN與RPN算法應(yīng)用與技術(shù)研究中，提高物體識別能力，提高技術(shù)的精度，促進汽車無人駕駛技術(shù)的發(fā)展。

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