【论文阅读】自动驾驶光流任务 DeFlow: Decoder of Scene Flow Network in Autonomous Driving

再一次轮到讲自己的paper！耶，宣传一下自己的工作，顺便完成中文博客的解读方便大家讨论。

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Reference and pictures

paper: https://arxiv.org/abs/2401.16122

code: https://github.com/KTH-RPL/DeFlow

b站视频: https://www.bilibili.com/video/BV1GH4y1w7LQ

1. Introduction

这个启发主要是和上一篇动态障碍物去除的有一定的联系，去除完了当然会开始考虑是不是可以有实时识别之类的，比起只是单纯标记1/0 的动和非动分割以外会是什么？然后就发现了任务：scene flow，其实在2D可能更为人所熟知一些：光流检测，optical flow，也就是输入两帧连续的图片，输出其中一张的每个pixel的运动趋势，NxNx2，其中N为图片大小，2为x，y两个方向上的速度

对应的 3D情况下则是切换为输入是两帧连续的点云帧，输出一个点云帧内每个点的运动，Nx3，N为点云帧内点的个数，3为x, y, z三个轴上的速度

Motivation

首先关于在自动驾驶的光流任务，我们希望的是能满足以下两个点：

Real Time Running 10Hz
能负担的起大量点云的输入 32或64线至少都是6万个点/帧起步了随便选kitti 一帧点数是：125883~=12万；而之前大部分光流论文还停留在max point=8192，然后我当时（2023年8月附近）随手选了最新cvpr的sota：SCOOP一文，一运行就cuda out of memory；问作者才知道领域内默认max=8192 number of point

那么Voxelization-based method就是其中大头 or 唯一选择了；

接着故事就来到了启发DeFlow的点：在查看最近工作（于2023年8月附近查看），阅读相关资料时发现，很多自监督的paper都声称自己超过了某篇监督的模型效果，也就是Waymo在RA-L发的一篇dataset顺带提出了FastFlow3D（官方闭源，民间有复现）；但是实际上 FastFlow3D本身就是参考3D detection那边网络框架进行设计的，仅将最后的decoder 连一个 MLPs 用以输出point flow

在我们的实验中发现，特别是在resolution用的20cm的时候，效果确实不好，主要原因集中在于下图2，统计发现如果一个点在动（速度≥0.5m/s），那么绝大多数都是在0.2以下的距离内运动；那么动一动脑筋，我们就想到了调参，直接把resolution调到10cm不就行了？没错！DeFlow 实验表格 Table III 第三行证明确实直接double kill

那么我们就知道了20cm 的栅格化分辨率下，点都在一个栅格里运动，所以前期pillar encoder 根本无法学出同一个voxel内不同点的feature，而FastFlow3D本身的decoder又是非常简单的MLP提取，无法实现voxel-to-point feature extraction

Contribution

所以我们的贡献就以以上为基础来讲述的啦，总结就是：1、提出了一个基于GRU voxel-to-point refinement的decoder；2、同时分析了以下loss function的影响并快速提了一个新的；3、最后实验到 AV2 官方在线榜单的SOTA

note：所有代码，各种对比消融实验和刷榜所用的model weight全部都开源供大家下载查阅，欢迎star和follow up：https://github.com/KTH-RPL/DeFlow

2. Method

非常简单易懂的方法部分，特别配合代码使用

2.1 Input & Output

输入是两帧点云，具体一点和FastFlow3D还有一系列的3D detection 一样；我们会先做地面去除，所以实际输入已经去掉了地面的 $P_t, P_{t+1}$

然后我们要估计的是 P_t 的 flow F，其中根据ego pose信息，我们也专注于预测除pose flow外的，也就是环境内的属于动态物体带速度的点

2.2 Decoder

看代码可能更快一点，论文和图主要是给了一个insight ：

从pillar point feature提过来走MLP extend feature channel 作为更新门 Z_t
然后由经过U-Net后的voxel feature 作为initial H_0，之后由再根据迭代次数每次得到更新的 H_{t-1}

此处为对照代码，方便大家直接对照查看，具体在以下两个文件：

decoder：https://github.com/KTH-RPL/DeFlow/blob/main/scripts/network/models/basic/decoder.py
deflow mode： https://github.com/KTH-RPL/DeFlow/blob/main/scripts/network/models/deflow.py

def forward_single(self, before_pseudoimage: torch.Tensor,
                   after_pseudoimage: torch.Tensor,
                   point_offsets: torch.Tensor,
                   voxel_coords: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    voxel_coords = voxel_coords.long()
    after_voxel_vectors = after_pseudoimage[:, voxel_coords[:, 1],
                                            voxel_coords[:, 2]].T
    before_voxel_vectors = before_pseudoimage[:, voxel_coords[:, 1],
                                              voxel_coords[:, 2]].T
    
    # [N, 64] [N, 64] -> [N, 128]
    concatenated_vectors = torch.cat([before_voxel_vectors, after_voxel_vectors], dim=1)
    
    # [N, 3] -> [N, 64]
    point_offsets_feature = self.offset_encoder(point_offsets)
    
    # [N, 128] -> [N, 128, 1]
    concatenated_vectors = concatenated_vectors.unsqueeze(2)

    for itr in range(self.num_iters):
        concatenated_vectors = self.gru(concatenated_vectors, point_offsets_feature.unsqueeze(2))

    flow = self.decoder(torch.cat([concatenated_vectors.squeeze(2), point_offsets_feature], dim=1))
    return flow

然后self.gru则是由这个常规ConvGRU module生成，forward和如下公式直接对应

$\mathbf{H}_t=\mathbf{Z}_t \odot \mathbf{H}_{t-1}+\left(1-\mathbf{Z}_t\right) \odot \tilde{\mathbf{H}}_t \tag{3}$

# from https://github.com/weiyithu/PV-RAFT/blob/main/model/update.py
class ConvGRU(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim=64, hidden_dim=128):
        super(ConvGRU, self).__init__()
        self.convz = nn.Conv1d(input_dim+hidden_dim, hidden_dim, 1)
        self.convr = nn.Conv1d(input_dim+hidden_dim, hidden_dim, 1)
        self.convq = nn.Conv1d(input_dim+hidden_dim, hidden_dim, 1)

    def forward(self, h, x):
        hx = torch.cat([h, x], dim=1)

        z = torch.sigmoid(self.convz(hx))
        r = torch.sigmoid(self.convr(hx))
        rh_x = torch.cat([r*h, x], dim=1)
        q = torch.tanh(self.convq(rh_x))

        h = (1 - z) * h + z * q
        return h

所以和其他对GRU的用法不同，主要是我们将其用于voxel和point 之间细化特征提取了，当然代码里也有我第一次的MM TransformerDecoder 和直接的 LinearDecoder尝试 hahah；前者太慢了，主要是点太多我分了batch；后者效果不行，带代码就当附带都留下来了

然后论文里讲了以下loss function的设计，过程简化以下就是：之前的工作一般，在和gt的norm基础上都自己给设计不同的权重，比如这里的 $\sigma$

结论就是我们这样设计的，根据ZeroFlow的三种速度划分，我们不用权重而是直接unified average；实验部分会说明各个module的进步

OK 方法到这里就结束了，自认为非常直觉性的讲故事下来的 hahaha，然后很多实验在各种角度模块进行证明我们的statement

3. Experiments

这个是直接抽的leaderboard的表格，具体每个方法的文件见 https://github.com/KTH-RPL/DeFlow/discussions/2

前三者都是自监督每篇都说超过了监督方法 FastFlow3D，但实际上只是baseline weak了，或者说他们比不过 FastFlow3D 10cm (0.1m)的分辨率，ZeroFlow XL就是把分辨率降到了0.1 然后加大了网络；OK leaderboard (test set 只能上传到在线平台评估) 的分析就这样了，知道SOTA就行

接下来的所有评估都是本地的，因为在线平台有提交次数限制 hahaha；首先贴出 Table III：注意这之中仅改变了decoder，其他loss func, learning rate, 训练条件均保持一致

这张表格也就是我们说的我们的decoder提出不需要细化10cm分辨率；因为这样GPU的Memory 大大上升了，总得留点给其他模块用嘛，见FastFlow3D 0.1 第三行

而我们保持了20cm的分辨率速度和GPU内存使用均无太多上涨的情况下，我们的EPE 3-Way的分数甚至比FastFlow3D 细化10cm的还要好，误差比原来的低了33%

Ablation Study

Loss Function：注意此处我们全部使用FastFlow3D的network，仅loss function不同而已

decoder iter number：其实我不太想做这个实验，但耐不住可能审稿人要问，所以我当时initial是选2/4跑的，毕竟多了降速 hahaha；此处全部使用deflow，仅iteration number不同，所以第二行可以认为是deflow: our decoder+our loss的效果（因为Table III为了对decoder的消融，所以其实我们使用的是fastflow3d提出的loss function；途中有韩国老哥没看论文，只要结果，所以他跑提供的weight的结果比我好，其实是他看错了表 lol）