江蘇
[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛汽車重要的感知硬件之一，已成為許多車企的主流選擇。激光雷達(dá)不斷向周圍環(huán)境發(fā)射激光束，并接收從物體表面反射回來的光信號(hào)，依據(jù)光的飛行時(shí)間計(jì)算出目標(biāo)的距離、位置，從而生成三維點(diǎn)云；谶@一原理，激光雷達(dá)能夠?yàn)樽詣?dòng)駕駛系統(tǒng)提供對(duì)前方障礙物清晰、精準(zhǔn)的感知能力。
圖片源自：網(wǎng)絡(luò)
但在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)激光束照射到如車牌金屬層、鋁合金交通標(biāo)志牌或反光膠貼等反射率極高的表面時(shí)，其反射過程便無法與常規(guī)物體那樣“理想”。這些表面會(huì)將大量激光能量幾乎無損地沿原路強(qiáng)烈反射回接收器。由于激光雷達(dá)接收器對(duì)強(qiáng)反射信號(hào)極為敏感，這種情形容易在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中引發(fā)“鬼影”與“膨脹”的問題。這些因高反射表面引起的點(diǎn)云誤差，無疑給后續(xù)的感知算法帶來非常大的挑戰(zhàn)。
鬼影和膨脹是個(gè)啥？
所謂鬼影，就是指點(diǎn)云中出現(xiàn)了實(shí)際環(huán)境并不存在的虛假物體輪廓。舉個(gè)例子，一塊位于車輛左側(cè)的交通標(biāo)志牌，其強(qiáng)反射信號(hào)可能在點(diǎn)云中于車輛前方或右側(cè)錯(cuò)誤地生成一個(gè)類似的點(diǎn)云簇，導(dǎo)致系統(tǒng)誤判為真實(shí)障礙，引發(fā)不必要的減速或避讓，這會(huì)嚴(yán)重影響感知可靠性。
含有“鬼影”的點(diǎn)云，圖片源自：網(wǎng)絡(luò)
膨脹則是指真實(shí)物體的點(diǎn)云輪廓因信號(hào)過強(qiáng)而向外擴(kuò)散，使其尺寸被顯著放大。繼續(xù)以一個(gè)例子來理解下，一塊寬僅幾十厘米的反光標(biāo)牌，可能在點(diǎn)云中呈現(xiàn)為一兩米寬的模糊團(tuán)塊。這不僅影響對(duì)物體實(shí)際尺寸的準(zhǔn)確判斷，還會(huì)干擾后續(xù)的障礙物分類、跟蹤等關(guān)鍵感知任務(wù)。
路牌點(diǎn)云“膨脹”，圖片源自：網(wǎng)絡(luò)
這兩種誤差都會(huì)直接增加感知算法精準(zhǔn)識(shí)別與環(huán)境理解的難度。
為什么高反射物體會(huì)讓激光雷達(dá)出問題
從剛剛的兩個(gè)概念中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)云出現(xiàn)鬼影和膨脹的問題，都是高反射物體造成的。要理解這些問題出現(xiàn)的原因，需要回到激光雷達(dá)的信號(hào)發(fā)射和接收機(jī)制本身。激光雷達(dá)發(fā)射的光是非常短的脈沖，它們?cè)诳臻g中擴(kuò)散，然后擊中物體表面。一部分光被吸收，一部分光被散射，還有一部分被反射回傳感器。感知系統(tǒng)會(huì)根據(jù)返回光的時(shí)間來計(jì)算距離位置。
正常情況下，大多數(shù)物體都是漫反射表面。所謂漫反射，就是光打上去以后向各個(gè)方向平均散開，返回到接收器的只有一小部分，它們的強(qiáng)度相對(duì)適中，信號(hào)和噪聲比（SNR）穩(wěn)定。
但高反射物體并不是漫反射表面，它們屬于高反射表面甚至是角反射體。所謂角反射體，就是指光線打上去之后大部分能沿入射方向原路返回（類似交通標(biāo)牌上的那種材料效果）。這種物體會(huì)在短時(shí)間內(nèi)把很多光“推回”激光雷達(dá)接收器。由于物體表面和入射角的不同，高反射物體產(chǎn)生的激光回波強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)高于漫反射物體。
圖片源自：網(wǎng)絡(luò)
這種強(qiáng)反射帶來的直接結(jié)果，就是接收器會(huì)捕獲到強(qiáng)度異常高的回波信號(hào)。激光雷達(dá)的探測(cè)器依據(jù)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行判斷，當(dāng)遇到如此強(qiáng)烈的回波時(shí)，便會(huì)將其直接認(rèn)定為有效的空間反射點(diǎn)，從而把這些異常信號(hào)當(dāng)作真實(shí)物體的位置信息予以記錄和處理。
有些強(qiáng)反射有時(shí)還不是直接返回，其可能發(fā)生多次反射或者在不同路徑上傳播后再反射回來。如光線在傳感器內(nèi)部某些表面反射之后，再次被高反射目標(biāo)反射回來，這種經(jīng)過額外路徑的信號(hào)也可能被接收器捕捉到。由于這類多次反射回來的信號(hào)實(shí)際經(jīng)過的時(shí)間比直接反射要長(zhǎng)，系統(tǒng)就會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為這個(gè)點(diǎn)離得更遠(yuǎn)，從而在點(diǎn)云上形成“在真實(shí)物體后方”的虛假點(diǎn)，也就是鬼影。
還有一種情況是當(dāng)高反射信號(hào)太強(qiáng)的時(shí)候，會(huì)對(duì)雷達(dá)內(nèi)部多個(gè)通道之間產(chǎn)生串?dāng)_。激光雷達(dá)通常由許多發(fā)射和接收通道組成，它們?cè)谕粫r(shí)間內(nèi)同時(shí)工作。當(dāng)某個(gè)通道接收到過強(qiáng)的反射時(shí)，這個(gè)強(qiáng)信號(hào)可能會(huì)泄漏到其他通道的接收模塊里，使得那些通道錯(cuò)誤地產(chǎn)生點(diǎn)。這種不同通道之間的干擾，也是鬼影產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。
鬼影和膨脹為什么看起來那么“像真的”
理解了信號(hào)為何出錯(cuò)，我們就可以解釋為什么鬼影和膨脹看起來特別容易迷惑自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。
激光雷達(dá)輸出的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每一個(gè)激光脈沖返回后都會(huì)在三維空間里生成一個(gè)點(diǎn)，表示那里有反射體。如果這些點(diǎn)來自真實(shí)障礙物，那么整個(gè)點(diǎn)云就描述了障礙物的形狀和位置。但如果這些點(diǎn)是錯(cuò)誤的返回結(jié)果，它們?cè)诳臻g里的分布仍然可能形成一個(gè)看起來有結(jié)構(gòu)、有形狀的團(tuán)簇，這樣的虛假的“形狀”在視覺上也會(huì)被感知算法錯(cuò)誤識(shí)別為真實(shí)物體。
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高反射物體除了在真實(shí)位置反射，也會(huì)在附近產(chǎn)生多個(gè)不同距離、不同角度的次級(jí)反射回波。這些次級(jí)回波還不是真正的噪點(diǎn)，而是有一定規(guī)律的分布，這就讓錯(cuò)誤點(diǎn)看起來有連續(xù)性。算法在聚類分析或分類判斷的時(shí)候會(huì)把它們當(dāng)成真實(shí)目標(biāo)的延伸，從而誤判目標(biāo)尺寸、方位甚至移動(dòng)軌跡。
膨脹現(xiàn)象有點(diǎn)像“點(diǎn)云模糊”。因?yàn)楦叻瓷湫盘?hào)的強(qiáng)度和接收器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可能導(dǎo)致飛行時(shí)間的微小誤差，或者影響激光束在周邊空間的探測(cè)結(jié)果。這就使得原本應(yīng)該集中在物體表面的點(diǎn)云被“拉散”了一點(diǎn)，看上去比實(shí)際更寬、更大。雖然這些點(diǎn)并不是虛假物體，但它們?cè)诳臻g分布上的擴(kuò)散讓感知系統(tǒng)誤以為物體比實(shí)際更大。
最后的話
高反射物體帶來的激光雷達(dá)鬼影和膨脹現(xiàn)象，是激光雷達(dá)技術(shù)必須面對(duì)的難題。其背后的根本原因，就是高反射表面產(chǎn)生了異常強(qiáng)的回波信號(hào)和多路徑反射，導(dǎo)致接收器接收到的信號(hào)不再是簡(jiǎn)單的一次主反射，而是夾雜了大量次級(jí)返回和串?dāng)_。這些錯(cuò)誤信號(hào)被誤當(dāng)成真實(shí)點(diǎn)，就形成了看似真實(shí)卻不存在的點(diǎn)云結(jié)構(gòu)（鬼影），或者把真實(shí)物體的點(diǎn)云范圍拉得更大（膨脹）。只有解決這些問題，才能讓自動(dòng)駕駛的感知更加精準(zhǔn)。
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