【田车科技】自动驾驶系列科普 | 感知模块开发与验证中的场景仿真

2023-12-01

      科普，就像一座灯座，照亮探索未知世界的道路。在这个信息爆炸的时代，需要将真实、准确的科学知识以简洁、易懂的方式传递给读者，认识科技发展带来的便利。本篇是自动驾驶系列科普，将主要介绍感知模块开发与验证中的场景仿真。让我们一同踏上神奇的科普之旅，探索无限可能。

01 感知模块开发与验证的重要性

      感知模块开发与验证是自动驾驶系统的重要组成部分。对于自动驾驶系统来说，感知模块负责从各种传感器获取信息，然后通过处理这些信息来识别和跟踪车辆周围的环境。这个过程包括了对数据的收集、处理、分析和理解。

      感知模块开发的主要目标是使自动驾驶系统能够安全、有效地在各种道路和天气条件下运行。为了实现这个目标，需要创建一个能够准确、可靠地感知和解释环境信息的系统。这需要使用各种传感器和算法，例如计算机视觉、深度学习等来处理和分析收集到的数据。
      感知模块验证则是确保感知模块的准确性和可靠性的过程。这需要通过模拟和测试来检查感知模块在各种情况下的表现，例如不同的道路条件、天气条件和交通情况。此外，还需要与其他自动驾驶系统模块进行集成和测试，以确保整个自动驾驶系统的协调性和安全性。
      感知模块开发与验证是实现自动驾驶的关键步骤，需要不断的改进和优化，以确保自动驾驶系统能够在各种条件下安全、有效地运行。

02 如何进行感知模块的开发与验证

       在开发智能驾驶系统的感知模块时，目前主流的方案是采用机器学习方法，通过标注的样本数据训练算法，从而获得想要的结果模型。一个鲁棒性强、适用范围广的算法，其卷积神经网络的参数会非常多，这需要提供大量的训练数据集才能使得算法收敛，获取算法模型。真实采集的训练集，由于缺少真值，需要通过纯人工或者半人工的方式对数据中的目标物进行标注与核对，虽然其真实性较高，但是为了提高效率与准确度，需要大量的人力投入，无法有效地降低边际成本，并且采集的场景在算法优化后期，势必面临无法覆盖边角、危险工况场景的问题。目前各家主流智驾公司的算法不断推陈出新，传统人工标注的数据集方式越来越无法满足复杂算法开发的需求，研究通过仿真的技术手段创造场景，供算法的训练与测试成为新的方向。

　　然而，场景的仿真不是实现画面的呈现这么简单，仅仅实现这部分功能，只能叫作场景动画，远远达不到场景仿真的程度。

　　具体的实现需要将场景中的信息，通过不同的形式，传递给感知算法或工程师，只有实现这个功能才能实现自动驾驶场景的仿真。

　　仿真场景的视觉呈现
　　视觉上对场景的仿真是直观的呈现方式，由仿真技术生成的画面可以供视觉算法进行算法的训练、测试标定，同时也可以使工程师观察到当前的场景。
　　目前主流的仿真技术通常是依靠渲染引擎来实现对画面的仿真。常用的渲染引擎有UnrealEngine、Unity3D、OGRE、OpenSceneGraph等。
　　但智能驾驶领域的场景仿真，区别于传统领域的建模渲染，并不仅仅是对单一场景的仿真与呈现，如某一游戏关卡、某一影视场景，而是需要形成一套工具，用户可以完全自定义场景中的内容，包含天气、道路、交通设施、车、人等，通过不同的元素组合、状态变化从而形成不同的场景。

　　仿真场景的其他呈现方式
　　实现了场景的仿真，仍不能发挥仿真的技术优势。仿真的场景是通过计算机图形学计算出来的画面，通过对生成的参数加以泛化，则可以基于某些元素快速生成大量的场景，再通过对参数的约束形成具有针对性的场景集。
　　这部分功能是真实采集的场景无法实现的，既可以大大降低生成场景的边际成本，又可以通过人为设计，形成大量危险且复杂的场景集。
　　除了视觉摄像头需要数据集的训练与测试，其他常见的传感器，如毫米波雷达、超声波雷达、激光雷达等也可以通过场景的仿真来实现训练与测试数据集的构建。

　　目标感知类的传感器目前主要有两种仿真方式：一种是在场景的仿真过程中加入“光线追踪”技术。光线追踪是一种“来自几何光学的通用技术，它通过追踪与光学表面发生交互作用的光线，得到光线经过路径的模型”。另一种是通过数学建模，以物理模型与概率模型相结合的技术手段，整体描述空间中目标物在不同传感器下的反射特性。