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自動(dòng)駕駛的落地，離不開一個(gè)關(guān)鍵條件：安全。近日，清華大學(xué)校友、MIT 在讀的中國(guó)博士生楊珩與團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了第一套針對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的“可認(rèn)證的感知”算法，有助于提高下一代自動(dòng)駕駛汽車的行駛安全。

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鏈接：https://arxiv.org/pdf/2109.03349.pdf

楊珩，2015年本科畢業(yè)于清華大學(xué)汽車工程專業(yè)，碩士就讀于麻省理工學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)。碩士期間，他主要研究如何改進(jìn)超聲成像系統(tǒng)，以追蹤肝纖維化病癥。為了做研究，他需要參加一門關(guān)于機(jī)器人的課程，叫《Underactuated Robotics》，學(xué)習(xí)如何通過(guò)設(shè)計(jì)算法來(lái)控制機(jī)器人。這使他愛(ài)上了算法設(shè)計(jì)的研究方向：

“這門課講到了數(shù)學(xué)優(yōu)化，用抽象的公式來(lái)模擬世界上幾乎所有事物。我在這門課上學(xué)會(huì)了一個(gè)巧妙的方法來(lái)解決我的論文問(wèn)題。計(jì)算在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的強(qiáng)大表現(xiàn)讓我感到驚訝，我很快確定了這是我接下來(lái)要探索的方向。”

2017年，楊珩碩士畢業(yè)，轉(zhuǎn)讀 MIT 博士，目前在 MIT 的信息與決策系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（LIDS）讀博，師從 Luca Carlone，主要研究可認(rèn)證的感知挑戰(zhàn)。目前，他已在自動(dòng)駕駛的可認(rèn)證感知算法設(shè)計(jì)上取得了一系列杰出成果。 

什么是可認(rèn)證的感知算法？

當(dāng)機(jī)器人在感知周圍環(huán)境時(shí)，機(jī)器人必須使用算法來(lái)估計(jì)周圍環(huán)境，并判斷自己所處的位置。目前，用于機(jī)器人感知的算法都是被設(shè)計(jì)于快速感知，幾乎無(wú)法保證機(jī)器人是否正確理解了周圍的環(huán)境。

這也是自動(dòng)駕駛算法設(shè)計(jì)的現(xiàn)有缺陷之一，而楊珩與 LIDS 實(shí)驗(yàn)室的部分成員要解決的就是這一問(wèn)題，希望通過(guò)設(shè)計(jì)“經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的”算法來(lái)確定評(píng)估是否正確。

比方說(shuō)，機(jī)器人在進(jìn)行感知之前，首先捕捉圖像，如自動(dòng)駕駛汽車會(huì)拍下正在靠近自己的汽車快照。然后，這張圖像會(huì)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在圖像中生成有關(guān)接近汽車的后視鏡、車輪、車門等關(guān)鍵點(diǎn)，繪制出線條，以從 2D 汽車圖像上檢測(cè)到的關(guān)鍵點(diǎn)追蹤到3D 汽車模型中標(biāo)記的 3D 關(guān)鍵點(diǎn)。

在這個(gè)過(guò)程中，楊珩與團(tuán)隊(duì)必須解決一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，將 3D 模型旋轉(zhuǎn)與平移，以使模型與圖像上的關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊。這個(gè) 3D 模型有助于機(jī)器人了解真實(shí)世界的環(huán)境。

在接受 MIT News 的采訪中，楊珩解釋：每一條被追蹤的線都必須經(jīng)過(guò)分析，以確保它們進(jìn)行了準(zhǔn)確的匹配。由于有許多關(guān)鍵的點(diǎn)可能會(huì)被錯(cuò)誤匹配（比如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)將鏡子識(shí)別為門把手），那么這個(gè)問(wèn)題就是“非凸”的，很難解決。

去年，楊珩與團(tuán)隊(duì)找到了解決方法，并獲得了 ICRA 2020 的機(jī)器人視覺(jué)最佳論文獎(jiǎng)。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/1909.08605.pdf

在楊珩的工作中，他將非凸問(wèn)題轉(zhuǎn)為凸問(wèn)題，并找到了成功的匹配方法。楊珩稱，即使匹配不正確，他們所設(shè)計(jì)的算法也知道應(yīng)該如何繼續(xù)嘗試，以找到最佳解決方案，即“全局最小值”。

“如果沒(méi)有更好的解決方案，（系統(tǒng)）就會(huì)給出一個(gè)認(rèn)證。”他指出，這些可認(rèn)證的算法有巨大的潛在影響，因?yàn)橄褡詣?dòng)駕駛汽車這樣的工具必須魯棒，且值得信賴。“我們的目標(biāo)是，如果感知系統(tǒng)出現(xiàn)故障，駕駛員可以收到一個(gè)警報(bào)，快速接管方向盤。”

而楊珩與團(tuán)隊(duì)的最新工作采取了通用與可拓展的框架來(lái)設(shè)計(jì)可認(rèn)證的算法，可以在自動(dòng)駕駛汽車的行駛過(guò)程中進(jìn)行魯棒的幾何體感知。

這個(gè)工作的主要亮點(diǎn)如下：

1）將常見(jiàn)的魯棒成本（如TLS、最大共識(shí)、Geman-McClure、Tukey 雙權(quán)重等）轉(zhuǎn)化為多項(xiàng)式優(yōu)化問(wèn)題（POP）；

2）通過(guò)關(guān)注 TLS 的成本，他們利用 POP 中的稀疏性，提出了一種比標(biāo)準(zhǔn) Lasserre 層次結(jié)構(gòu)小得多的稀疏半定規(guī)劃 (SDP) 松弛，同時(shí)保留了準(zhǔn)確性；

3）提出 STRIDE（一種將凸 SDP 中的全局下降與非凸 POP 的快速局部搜索相結(jié)合的求解器），以前所未有的規(guī)模和精度解決了 SDP 松弛問(wèn)題；

4）評(píng)估了所提出的針對(duì)六個(gè)幾何感知問(wèn)題的框架，包括單次與多次旋轉(zhuǎn)平均、點(diǎn)云和網(wǎng)格配準(zhǔn)、絕對(duì)姿態(tài)估計(jì)以及類別級(jí)對(duì)象姿態(tài)和形狀估計(jì)。

他們的實(shí)驗(yàn)表明，雖然還達(dá)不到實(shí)時(shí)，但 STRIDE 在中等規(guī)模問(wèn)題上比現(xiàn)有 SDP 求解器快了 100 倍，而且是目前唯一可以高精度求解具有數(shù)十萬(wàn)個(gè)約束的大規(guī)模 SDP 的求解器。

同時(shí)，STRIDE 為現(xiàn)有的快速啟發(fā)式算法（如 RANSAC 或階段非凸）提供了一種保護(hù)措施，即如果啟發(fā)式估計(jì)是最優(yōu)的，則證明全局最優(yōu)。

使模型適應(yīng)不同的汽車

在將 2D 圖像與 3D 模型進(jìn)行匹配時(shí)，一個(gè)假設(shè)是 3D 模型要與識(shí)別的汽車類型相一致。但是，如果圖像中的汽車具有機(jī)器人從未見(jiàn)過(guò)的形狀，會(huì)發(fā)生什么？結(jié)局可能無(wú)法預(yù)料，所以，楊珩需要估計(jì)汽車的位置，并重建 3D 模型的形狀。雷鋒網(wǎng)

他們找到了一個(gè)解決方法：通過(guò)對(duì)原先識(shí)別的車輛進(jìn)行線性組合，使 3D 模型自動(dòng)變形、以匹配 2D 圖像。比方說(shuō)，該模型可以從奧迪變成現(xiàn)代，因?yàn)樗呀?jīng)記錄了汽車的實(shí)際構(gòu)造。識(shí)別接近車輛的尺寸是防止碰撞的關(guān)鍵。

楊珩與團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)工作還入圍了機(jī)器人頂級(jí)會(huì)議 RSS 的最佳論文獎(jiǎng)，楊珩被評(píng)為“RSS 先驅(qū)”。

鏈接：https://arxiv.org/pdf/2104.08383.pdf

近兩年，楊珩及其團(tuán)隊(duì)在自動(dòng)駕駛可認(rèn)證感知算法的設(shè)計(jì)上取得了成系列的研究成果，而算法從實(shí)驗(yàn)室走到現(xiàn)實(shí)世界，必然要面臨許多亟待解決的問(wèn)題。期待楊珩及其團(tuán)隊(duì)接下來(lái)的工作！