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文章概述

这篇文章介绍了一个名为 ViDAR 的视觉点云预测框架，它通过预测历史视觉输入生成未来点云，作为自动驾驶的预训练任务。ViDAR 集成了语义、三维几何和时间动态信息，有效提升了感知、预测和规划等自动驾驶核心任务的性能。实验表明，该框架显著减少了对高成本标注数据的依赖，并在多个下游任务中优于现有最佳方法，为实现可扩展的视觉自动驾驶提供了新的解决方案。

主要贡献

1.提出“视觉点云预测”作为新的预训练任务：

• 通过从历史视觉输入预测未来点云，这一任务结合了语义、三维几何和时间动态建模，适用于感知、预测和规划等自动驾驶核心任务。

2.设计了通用的预训练框架ViDAR：

• 包括历史编码器（提取视觉序列特征）、潜在渲染操作（解决几何特征建模问题）、未来解码器（生成未来时间的点云预测），为自动驾驶提供了系统性的解决方案。

3.引入潜在渲染操作（Latent Rendering）：

• 克服了传统方法中“射线特征”不够区分的缺陷，显著提升了三维几何信息的建模能力，从而增强了下游任务的性能。

4.显著提升了自动驾驶系统的性能：

• 在多个下游任务（如3D检测、语义占用预测、轨迹预测和规划）中，ViDAR 均超越了现有最佳方法。例如，短时预测误差减少了33%，碰撞率降低了15%。

5.减少对高成本标注数据的依赖：

• ViDAR 通过无监督预训练显著降低了对大规模3D标注数据的需求，在数据有限的情况下依然表现出色，从而推动了可扩展的自动驾驶技术。

6.首次验证了视觉点云预测在自动驾驶中的可扩展性：

• 通过实验表明，视觉点云预测能在感知、预测和规划三个任务中同时取得显著进步，为端到端自动驾驶提供了全面的性能提升。

主要方法

1. 视觉点云预测（Visual Point Cloud Forecasting）

视觉点云预测的任务是从历史视觉输入中预测未来的点云。这种任务的设计目标是同时捕获以下三个方面的信息：

• 语义信息：场景中的语义特征，例如道路、车辆和行人等。
• 三维几何信息：物体的形状、位置和空间布局。
• 时间动态信息：场景中的运动模式和变化趋势。

通过将这些信息结合，视觉点云预测既可以作为一个独立的任务，又可以为感知、预测和规划任务提供有效的预训练支持。

2. ViDAR框架

ViDAR是一个通用的视觉点云预测框架，包含三个主要模块：

(1) 历史编码器（History Encoder）

• 作用：从多视图历史图像中提取鸟瞰视角 (Bird’s Eye View, BEV) 特征。
• 架构：
  • 历史编码器可以是任何 BEV 编码器，例如 BEVFormer。
  • 使用深度神经网络（如 ResNet101）提取视觉特征，并结合 FPN（特征金字塔网络）对特征进行多尺度融合。
  • 通过空间-时间变换器将图像特征转换为 BEV 表征。

(2) 潜在渲染操作（Latent Rendering Operator）

• 创新点：

  • 模拟潜在空间中的体渲染操作，将 BEV 特征转化为几何嵌入。
  • 提出了一种改进的“条件概率函数”和“特征期望函数”，解决传统方法中“射线特征”（ray-shaped features）的问题。

• 操作细节：

  1. 条件概率函数：
     • 计算光线上的各个点是否被占用的概率，通过抑制相邻点的高响应来区分几何特征。
  2. 特征期望函数：
     • 结合光线上的几何特征计算出每个网格的最终特征。
  3. 多组潜在渲染（Multi-group Latent Rendering）：
     • 将特征通道分为多组并并行渲染，以捕捉更多几何信息。
  4. 结果：
     • 渲染后的特征能够有效地表示场景中的几何细节（如物体和障碍物）。

(3) 未来解码器（Future Decoder）

• 作用：预测未来时间步的 BEV 特征。

• 架构：

  • 基于自回归的变换器（Transformer），逐步预测未来特征。
  • 包括以下关键模块：