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來源丨泡泡機器人SLAM

作者丨paopaoslam

標題：Multi-Echo LiDAR for 3D Object Detection

作者: Yunze Man, Xinshuo Weng, Prasanna Kumar Sivakumar, Matthew O'Toole, Kris M. Kitani

來源：ICCV 2021

編譯：鞠季宏

審核：lionheart

摘要

除了常見的 3D 點云之外，LiDAR 傳感器還可獲取其他測量信號。這些信號可以被用來改進 3D 對象檢測等感知任務。單個激光脈沖可以被沿其路徑的多個物體部分反射，從而產生多次被稱為回波的測量。多回波測量可以提供有關物體輪廓和半透明表面的信息，可用于更好地識別和定位物體。LiDAR 還可以測量表面反射率（激光脈沖返回的強度），以及場景的環境光（物體反射的陽光）。商用 LiDAR 設備已經提供這些信號，但大多數基于 LiDAR 的檢測模型尚未使用它們。我們提出了一個 3D 物體檢測模型，該模型利用了 LiDAR 提供的全部測量信號。首先，我們提出了一個多信號融合 (MSF) 模塊來組合 (1) 使用 2D CNN 提取的反射率和環境光特征，以及 (2) 使用 3D 圖神經網絡 (GNN) 提取的點云特征。其次，我們提出了一個多回波聚合（MEA）模塊來組合在不同回波點集中編碼的信息。與傳統的單回波點云方法相比，我們提出的多信號 LiDAR 檢測器 (MSLiD) 從更廣泛的傳感測量中提取更豐富的上下文信息，并實現更準確的 3D 對象檢測。實驗表明，通過結合 LiDAR 的多模態，我們的方法比最先進的方法高出 9.1%。

主要貢獻

• MSLiD第一個提出使用多回波點、LiDAR 環境光以及反射率信號
  

• MSLiD 的多信號融合模塊（MSF）可以高效地結合密集的環境光、反射率圖像以及稀疏的多回波點云。

• MSLiD 的多回波聚合模塊 （MEA）可以從多組回波中獲得更豐富的物體情景信息，更準確地定位和分類物體

方法概述

LiDAR 傳感器通過發射激光并接收激光反射信號測量距物體的距離。如圖一所示，部分LiDAR傳感器所發射的激光脈沖可能穿透物體從而接受到多個反射信號。這些多回波信號可以提供很多關于物體的信息，比如物體表面是否透明，這些信息可以被用來提升三維物體檢測的準確性。本文提出使用多回波生成的點云，而不是傳統單一回波生成的點云進行三維物體檢測的任務。

除多回波信號外，LiDAR 傳感器同時還可以捕捉環境光以及反射率，這些信息同樣可以被用來提升三位物體檢測的準確率。具體來說，本文將環境光和反射率分別投射生成范圍圖像（range image）。圖二顯示這些范圍圖像作為二維卷積神經網絡的輸入被用來進行二維物體識別。二維物體識別的結果可以生成三維點的分類信息。同多回波點云的點特征和范圍圖像的像素特征一起，三維圖神經網絡可以生成三維物體的邊界框。

多回波聚合

位于邊界框內的點云作為輸入預測物體的分類和細化邊界框。不同于傳統基于單回波點云的方法，本文將多回波點云根據可穿透性分組?？纱┩更c云特征和不可穿透點云特征被串聯在一起共同被用于分類和精細邊界框預測。

損失函數

網絡的損失函數由兩部分組成：

邊界框生成誤差

邊界框分類和精細化誤差

實驗結果

本文分別在真實數據集和合成數據集上測試 MSLiD。其中真實數據集使用原型 LiDAR 傳感器在一個北美城市采集；合成數據集基于 CARLA 模擬器生成。

表一顯示使用多回波點云可以提升多個 SOTA 方法的物體檢測準確度。且本文提出的 MSLiD 框架可以在這些 SOTA 方法以上繼續提升準確度，表明融合環境光和反射率圖像可以同樣可以提升三維物體檢測表現。

表三顯示多信號融合模塊（MSF）和多回聲聚合（MEA）模塊均可以顯著提升準確率。

Abstract

LiDAR sensors can be used to obtain a wide range of measurement signals other than a simple 3D point cloud, and those signals can be leveraged to improve perception tasks like 3D object detection. A single laser pulse can be partially reflected by multiple objects along its path, resulting in multiple measurements called echoes. Multi-echo measurement can provide information about object contours and semi-transparent surfaces which can be used to better identify and locate objects. LiDAR can also measure surface reflectance (intensity of laser pulse return), as well as ambient light of the scene (sunlight reflected by objects). These signals are already available in commercial LiDAR devices but have not been used in most LiDAR-based detection models. We present a 3D object detection model which leverages the full spectrum of measurement signals provided by LiDAR. First, we propose a multi-signal fusion (MSF) module to combine (1) the reflectance and ambient features extracted with a 2D CNN, and (2) point cloud features extracted using a 3D graph neural network (GNN). Second, we propose a multi-echo aggregation (MEA) module to combine the information encoded in different set of echo points. Compared with traditional single echo point cloud methods, our proposed multi-signal LiDAR Detector (MSLiD) extracts richer context information from a wider range of sensing measurements and achieves more accurate 3D object detection. Experiments show that by incorporating the multi-modality of LiDAR, our method outperforms the state-of-the-art by up to relatively 9.1%.

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總結

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