如今，機器學習算法正大規模地用于解決自動駕駛汽車產業日益增多的問題。結合 ECU (電子控制單元)傳感器數據，我們須加強對機器學習方法的利用以迎接新的挑戰。潛在的應用包括利用分布在車體內外的傳感器，比如激光探測、雷達、攝像頭或者物聯網(IoT)，融合各類數據進行駕駛員狀況評估或者駕駛場景分類。

運行車載輔助系統的相關程序可從數據融合傳感系統接收相關信息進行判斷。比如，如果系統注意到駕駛員有不適的情況出現，其可以令汽車改道去往醫院。這項技術基于機器學習，且能對駕駛員的語音及動作進行識別，同時還有語言翻譯。算法總的來說可以分為監督式學習和非監督式學習兩大類。二者的區別在于學習方式不同。

監督式學習通過給定的訓練集來學習，該學習過程一直持續到模型達到預設的期望值(即錯誤率達到最小)。監督式學習算法可以分為回歸、分類以及異常數據檢測或降維算法等幾大類。

非監督式學習試圖從可用數據集中學習到其內部結構與模式。這意味著，基于提供的數據，算法旨在推導出一種關系，以便根據各個數據之間的相似度來檢測模式或者將數據集內部數據自動分類。無監督算法很大一部分可以進一步分類為關聯規則學習和聚類算法等。

強化學習算法是介于非監督式學習和監督式學習的另外一類機器學習算法。對于每個訓練樣本來說，監督式學習有對應的類別標簽而非監督式學習沒有。強化學習則是將時間延遲和稀疏標簽作為獎勵機制的一部分。在環境中學習的行為方式取決于獎勵機制的設置。強化學習的目的在于了解算法的優劣勢并對算法進行改進。該算法有望用于解決實際應用當中產生的大量問題，涵蓋從人工智能到工程控制或操作研究的方方面面，而這些都關乎自動駕駛汽車的發展走向。強化學習可分為間接學習和直接學習兩大類。

在自動駕駛技術中，機器學習算法的主要任務之一就是持續渲染周圍環境并預測周圍環境可能產生的變化。這些可以分解為以下三個子類：

• 目標檢測
• 目標辨認或者目標識別分類
• 目標定位和運動預判

機器學習算法可大致分為四種：決策矩陣、聚類算法、模式識別和回歸算法。每種可以用于兩個或多個子任務。比如，回歸算法可以用于目標定位以及目標預測或者行為預判。

一、決策矩陣算法

決策矩陣算法系統地分析、識別及評估信息本身和值之間的關系，這類算法主要用于作出決策。汽車是否需要制動或左轉是基于算法對物體的下一次運動的識別、分類和預測給定的置信度。決策矩陣算法是由從各種角度獨立訓練，并由各決策模型組成的模型矩陣。其優點是將這些預測結合起來進行總體預測，同時降低決策中錯誤的可能性。AdaBoosting 是其中最常用的一種算法。

AdaBoosting(Adaptive Boosting 的簡稱)

AdaBoosting 是將多種學習算法組合起來，可用于回歸或者分類。與其他機器學習算法相比，該算法克服了過擬合問題，但對異常值和噪音數據通常比較敏感。為了構建出強學習方法，AdaBoost 通常會進行多次迭代，這也是其被稱為『適應性』增強算法的原因。AdaBoosting 如同其他提升方法一樣通過集成一些弱學習器的學習能力從而進階成一個強學習器。具體到算法，AdaBoost 在之前學習器的基礎上改變樣本的權重，增加那些之前被分類錯誤的樣本的比重，降低分類正確樣本的比重。之后，學習器將重點關注那些被分類錯誤的樣本。這樣的結果就是我們將得到一個比弱學習器的分類器精度更高的分類器。

AdaBoost 有助于將弱閾值分類器提升為強分類器。上圖具體展示了 AdaBoost 的實現的場景。弱分類器嘗試在數據維度中取得一個理想閾值，使得數據能分為兩類。分類器在迭代以及每個分類步驟之后得到調用，改變錯誤分類樣本的權重，從而創建了一個類似強分類器的級聯弱分類器。

二、聚類算法

遇到某些情況(比如系統采集的圖像不清晰，難以用于定位和檢測;或者使用分類算法有可能跟丟檢測對象)，系統無法對目標進行分類并匯總報告。其原因也許包括數據不連貫，數據樣本太少或圖像分辨率低等。聚類算法能夠專門從數據中發現結構，通過分層和設置質心點的方法來建模。所有方法都旨在利用數據的內在結構將數據分門別類，且保證每類的數據擁有最高的相似性。K-均值聚類、層次聚類和多類神經網絡是其中最具代表性的算法。

K-均值聚類

K-均值聚類是一種十分出名的聚類算法。該算法將樣本聚類成 k 個集群(cluster)，k 用于定義各集群的 k 個質心點。如果一個點比其他任何質心點更接近該簇初始的質心點，那么這個點就存在于該簇類中。質心點的更新則根據計算當前分配的數據點到簇類的歐氏距離來進行。將數據點歸于某個集群則取決于當前的質心點是哪些。

K-means 算法示意圖

K-means 算法示意圖。叉表示各集群質心點，點表示訓練數據(a)原始數據集(b) 隨機設定的初始質心點(c-f) 兩輪迭代之后的數據分布。每個訓練數據在每次迭代中分配給最接近的聚類質心點，將該類數據的均值作為聚類質心，更新聚類質心點。

三、模式識別算法(分類)

高級駕駛輔助系統(ADAS)的傳感器獲得的圖像由各種環境數據組成，但確定對象類別須濾掉圖像。所以我們需要濾除無關數據來實現。在分類對象之前，模式識別在數據集中是很重要的一步。這種算法被稱為數據簡化算法。

數據簡化算法有助于減少對象的邊和聚合線(擬合為線段和圓弧)。直到在某個結點，聚合線與邊連成一條直線，此后出現一條新的聚合線。圓弧和形似圓弧的線也類似。各種圖像的特征(圓弧和線段)組合起來，用于確定某一物體的特征。

相較于 PCA(主成分分析法)和 HOG(定向梯度直方圖)，支持向量機(Support Vector Machines)是高級駕駛輔助系統(ADAS)中常用的識別算法。與此同時，K 近鄰(KNN)和貝葉斯決策法則也同樣經常用到。

支持向量機(SVM)

支持向量機(SVM)主要在于如何定義決策邊界或分離超平面。SVM 的超平面會在保留最大間隔的情況下把不同類別的數據分隔開。在如下示意圖中，數據分屬紅綠兩類。一個超平面將紅綠數據分開。任何落在左側的新對象都將標記為紅色，落在右側的都將標記為綠色。

四、回歸算法

該算法非常適用于對事件的預測。回歸分析對兩個或者兩個以上變量之間的關系進行評估，并核對出變量在不同程度上產生的影響。通常有以下三種指標：

• 回歸曲線的樣式
• 因變量的類型
• 自變量的數量

圖像信號(攝像機或雷達)的啟動和定位在高級輔助駕駛系統中起著重要的作用。對于任何算法而言，最大的挑戰在于開發基于圖像特征選擇及預測的模型。

給定物體在圖像中的位置與該圖像，回歸算法可以利用環境的重復性創建出一個關系統計模型。該模型允許圖像采樣，并提供快速在線檢測和離線學習模式。它還可以進一步擴展到其他物體而無需大量人工建模。作為在線實時輸出以及對物體存在的反饋，算法將自動返回該物體的位置。

回歸算法亦可用于短期預測和長期學習?？梢杂糜谧詣玉{駛的回歸算法包括決策森林回歸，神經網絡回歸和貝葉斯回歸等。

神經網絡回歸

神經網絡可以用于回歸、分類或者非監督式學習。這類算法可以基于無監督將未經標注的數據進行分類，或者在監督訓練之后用來預測后續的數值。神經網絡通常使用 logistic 回歸作為網絡的最后一層將連續性的據轉換成 1 或 0 這樣的離散型變量。

上圖中可以看到，『x』 是輸入數據，特征從網絡結構的輸入層開始傳遞。在向后傳遞沒經過一條邊時，每一個特征值『x』會被乘以一個相應的權重『w』。所有乘積之和將通過一個激活函數 ReLU 使結果可用于非線性分類。ReLU 十分常用，它不像 sigmoid 函數那樣在淺層梯度情況下易趨于飽和(當輸入非常大或者非常小的時候，神經元的梯度是接近于 0 的。如果這樣，大部分神經元可能都會處在飽和狀態而令梯度消失，這會導致網絡變的很難學習)。ReLU 為每個隱藏神經元提供一個激活輸出并傳遞到下一個輸出神經元中。這意味著執行回歸的神經網絡包含單個輸出節點，且該節點將先前層的激活數值總和乘以 1。圖中的神經網絡預測『y_hat』便是結果。『y_hat』是所有 x 映射的因變量。我們以這種方式使用神經網絡，從而通過與 y(單個因變量)相關的 x(多個自變量)而預測連續值結果。

原文：http://www.kdnuggets.com/2017/06/machine-learning-algorithms-used-self-driving-cars.html

【本文是51CTO專欄機構“機器之心”的原創譯文，微信公眾號“機器之心( id: almosthuman2014)”】

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