Deep Neural Networks and Data for Automated Driving

This open access book brings together the latest developments from industry and research on automated driving and artificial intelligence. Environment perception for highly automated driving heavily employs deep neural networks, facing many challenges. How much data do we need for training and testing? How to use synthetic data to save labeling costs for training? How do we increase robustness and decrease memory usage? For inevitably poor conditions: How do we know that the network is uncertain about its decisions? Can we understand a bit more about what actually happens inside neural networks? This leads to a very practical problem particularly for DNNs employed in automated driving: What are useful validation techniques and how about safety? This book unites the views from both academia and industry, where computer vision and machine learning meet environment perception for highly automated driving. Naturally, aspects of data, robustness, uncertainty quantification, and, last but not least, safety are at the core of it. This book is unique: In its first part, an extended survey of all the relevant aspects is provided. The second part contains the detailed technical elaboration of the various questions mentioned above

LiDAR Domain Adaptation - Automotive 3D Scene Understanding

Umgebungswahrnehmung und Szeneverständnis spielen bei autonomen Fahrzeugen eine wesentliche Rolle. Ein Fahrzeug muss sich der Geometrie und Semantik seiner Umgebung bewusst sein, um das Verhalten anderer Verkehrsteilnehmer:innen vorherzusagen und sich selbst im fahrbaren Raum zu lokalisieren, um somit richtig zu navigieren. Heutzutage verwenden praktisch alle modernen Wahrnehmungssysteme für das automatisierte Fahren tiefe neuronale Netze. Um diese zu trainieren, werden enorme Datenmengen mit passenden Annotationen benötigt. Die Beschaffung der Daten ist relativ unaufwendig, da nur ein mit den richtigen Sensoren ausgestattetes Fahrzeug herumfahren muss. Die Erstellung von Annotationen ist jedoch ein sehr zeitaufwändiger und teurer Prozess. Erschwerend kommt hinzu, dass autonome Fahrzeuge praktisch überall (z.B. Europa und Asien, auf dem Land und in der Stadt) und zu jeder Zeit (z.B. Tag und Nacht, Sommer und Winter, Regen und Nebel) eingesetzt werden müssen. Dies erfordert, dass die Daten eine noch größere Anzahl unterschiedlicher Szenarien und Domänen abdecken. Es ist nicht praktikabel, Daten für eine solche Vielzahl von Domänen zu sammeln und zu annotieren. Wenn jedoch nur mit Daten aus einer Domäne trainiert wird, führt dies aufgrund von Unterschieden in den Daten zu einer schlechten Leistung in einer anderen Zieldomäne. Für eine sicherheitskritische Anwendung ist dies nicht akzeptabel. Das Gebiet der sogenannten Domänenanpassung führt Methoden ein, die helfen, diese Domänenlücken ohne die Verwendung von Annotationen aus der Zieldomäne zu schließen und somit auf die Entwicklung skalierbarer Wahrnehmungssysteme hinzuarbeiten. Die Mehrzahl der Arbeiten zur Domänenanpassung konzentriert sich auf die zweidimensionale Kamerawahrnehmung. In autonomen Fahrzeugen ist jedoch das dreidimensionale Verständnis der Szene essentiell, wofür heutzutage häufig LiDAR-Sensoren verwendet werden. Diese Dissertation befasst sich mit der Domänenanpassung für LiDAR-Wahrnehmung unter mehreren Aspekten. Zunächst wird eine Reihe von Techniken vorgestellt, die die Leistung und die Laufzeit von semantischen Segmentierungssystemen verbessern. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in das Wahrnehmungsmodell integriert, das in dieser Dissertation verwendet wird, um die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Domänenanpassungsansätze zu bewerten. Zweitens werden bestehende Ansätze diskutiert und Forschungslücken durch die Formulierung von offenen Forschungsfragen aufgezeigt. Um einige dieser Fragen zu beantworten, wird in dieser Dissertation eine neuartige quantitative Metrik vorgestellt. Diese Metrik erlaubt es, den Realismus von LiDAR-Daten abzuschätzen, der für die Leistung eines Wahrnehmungssystems entscheidend ist. So wird die Metrik zur Bewertung der Qualität von LiDAR-Punktwolken verwendet, die zum Zweck des Domänenmappings erzeugt werden, bei dem Daten von einer Domäne in eine anderen übertragen werden. Dies ermöglicht die Wiederverwendung von Annotationen aus einer Quelldomäne in der Zieldomäne. In einem weiteren Feld der Domänenanpassung wird in dieser Dissertation eine neuartige Methode vorgeschlagen, die die Geometrie der Szene nutzt, um domäneninvariante Merkmale zu lernen. Die geometrischen Informationen helfen dabei, die Domänenanpassungsfähigkeiten des Segmentierungsmodells zu verbessern und ohne zusätzlichen Mehraufwand bei der Inferenz die beste Leistung zu erzielen. Schließlich wird eine neuartige Methode zur Erzeugung semantisch sinnvoller Objektformen aus kontinuierlichen Beschreibungen vorgeschlagen, die – mit zusätzlicher Arbeit – zur Erweiterung von Szenen verwendet werden kann, um die Erkennungsfähigkeiten der Modelle zu verbessern. Zusammenfassend stellt diese Dissertation ein umfassendes System für die Domänenanpassung und semantische Segmentierung von LiDAR-Punktwolken im Kontext des autonomen Fahrens vor

Point Cloud Processing for Environmental Analysis in Autonomous Driving using Deep Learning

Autonomous self-driving cars need a very precise perception system of their environment, working for every conceivable scenario. Therefore, different kinds of sensor types, such as lidar scanners, are in use. This thesis contributes highly efficient algorithms for 3D object recognition to the scientific community. It provides a Deep Neural Network with specific layers and a novel loss to safely localize and estimate the orientation of objects from point clouds originating from lidar sensors. First, a single-shot 3D object detector is developed that outputs dense predictions in only one forward pass. Next, this detector is refined by fusing complementary semantic features from cameras and joint probabilistic tracking to stabilize predictions and filter outliers. The last part presents an evaluation of data from automotive-grade lidar scanners. A Generative Adversarial Network is also being developed as an alternative for target-specific artificial data generation.One of the main objectives of leading automotive companies is autonomous self-driving cars. They need a very precise perception system of their environment, working for every conceivable scenario. Therefore, different kinds of sensor types are in use. Besides cameras, lidar scanners became very important. The development in that field is significant for future applications and system integration because lidar offers a more accurate depth representation, independent from environmental illumination. Especially algorithms and machine learning approaches, including Deep Learning and Artificial Intelligence based on raw laser scanner data, are very important due to the long range and three-dimensional resolution of the measured point clouds. Consequently, a broad field of research with many challenges and unsolved tasks has been established. This thesis aims to address this deficit and contribute highly efficient algorithms for 3D object recognition to the scientific community. It provides a Deep Neural Network with specific layers and a novel loss to safely localize and estimate the orientation of objects from point clouds. First, a single shot 3D object detector is developed that outputs dense predictions in only one forward pass. Next, this detector is refined by fusing complementary semantic features from cameras and a joint probabilistic tracking to stabilize predictions and filter outliers. In the last part, a concept for deployment into an existing test vehicle focuses on the semi-automated generation of a suitable dataset. Subsequently, an evaluation of data from automotive-grade lidar scanners is presented. A Generative Adversarial Network is also being developed as an alternative for target-specific artificial data generation. Experiments on the acquired application-specific and benchmark datasets show that the presented methods compete with a variety of state-of-the-art algorithms while being trimmed down to efficiency for use in self-driving cars. Furthermore, they include an extensive set of standard evaluation metrics and results to form a solid baseline for future research.Eines der Hauptziele führender Automobilhersteller sind autonome Fahrzeuge. Sie benötigen ein sehr präzises System für die Wahrnehmung der Umgebung, dass für jedes denkbare Szenario überall auf der Welt funktioniert. Daher sind verschiedene Arten von Sensoren im Einsatz, sodass neben Kameras u. a. auch Lidar Sensoren ein wichtiger Bestandteil sind. Die Entwicklung auf diesem Gebiet ist für künftige Anwendungen von höchster Bedeutung, da Lidare eine genauere, von der Umgebungsbeleuchtung unabhängige, Tiefendarstellung bieten. Insbesondere Algorithmen und maschinelle Lernansätze wie Deep Learning, die Rohdaten über Lernzprozesse direkt verarbeiten können, sind aufgrund der großen Reichweite und der dreidimensionalen Auflösung der gemessenen Punktwolken sehr wichtig. Somit hat sich ein weites Forschungsfeld mit vielen Herausforderungen und ungelösten Problemen etabliert. Diese Arbeit zielt darauf ab, dieses Defizit zu verringern und effiziente Algorithmen zur 3D-Objekterkennung zu entwickeln. Sie stellt ein tiefes Neuronales Netzwerk mit spezifischen Schichten und einer neuartigen Fehlerfunktion zur sicheren Lokalisierung und Schätzung der Orientierung von Objekten aus Punktwolken bereit. Zunächst wird ein 3D-Detektor entwickelt, der in nur einem Vorwärtsdurchlauf aus einer Punktwolke alle Objekte detektiert. Anschließend wird dieser Detektor durch die Fusion von komplementären semantischen Merkmalen aus Kamerabildern und einem gemeinsamen probabilistischen Tracking verfeinert, um die Detektionen zu stabilisieren und Ausreißer zu filtern. Im letzten Teil wird ein Konzept für den Einsatz in einem bestehenden Testfahrzeug vorgestellt, das sich auf die halbautomatische Generierung eines geeigneten Datensatzes konzentriert. Hierbei wird eine Auswertung auf Daten von Automotive-Lidaren vorgestellt. Als Alternative zur zielgerichteten künstlichen Datengenerierung wird ein weiteres generatives Neuronales Netzwerk untersucht. Experimente mit den erzeugten anwendungsspezifischen- und Benchmark-Datensätzen zeigen, dass sich die vorgestellten Methoden mit dem Stand der Technik messen können und gleichzeitig auf Effizienz für den Einsatz in selbstfahrenden Autos optimiert sind. Darüber hinaus enthalten sie einen umfangreichen Satz an Evaluierungsmetriken und -ergebnissen, die eine solide Grundlage für die zukünftige Forschung bilden

Depth- and Semantics-aware Multi-modal Domain Translation: Generating 3D Panoramic Color Images from LiDAR Point Clouds

This work presents a new depth- and semantics-aware conditional generative model, named TITAN-Next, for cross-domain image-to-image translation in a multi-modal setup between LiDAR and camera sensors. The proposed model leverages scene semantics as a mid-level representation and is able to translate raw LiDAR point clouds to RGB-D camera images by solely relying on semantic scene segments. We claim that this is the first framework of its kind and it has practical applications in autonomous vehicles such as providing a fail-safe mechanism and augmenting available data in the target image domain. The proposed model is evaluated on the large-scale and challenging Semantic-KITTI dataset, and experimental findings show that it considerably outperforms the original TITAN-Net and other strong baselines by 23.7$\%$ margin in terms of IoU

A survey on generative adversarial networks for imbalance problems in computer vision tasks

Any computer vision application development starts off by acquiring images and data, then preprocessing and pattern recognition steps to perform a task. When the acquired images are highly imbalanced and not adequate, the desired task may not be achievable. Unfortunately, the occurrence of imbalance problems in acquired image datasets in certain complex real-world problems such as anomaly detection, emotion recognition, medical image analysis, fraud detection, metallic surface defect detection, disaster prediction, etc., are inevitable. The performance of computer vision algorithms can significantly deteriorate when the training dataset is imbalanced. In recent years, Generative Adversarial Neural Networks (GANs) have gained immense attention by researchers across a variety of application domains due to their capability to model complex real-world image data. It is particularly important that GANs can not only be used to generate synthetic images, but also its fascinating adversarial learning idea showed good potential in restoring balance in imbalanced datasets. In this paper, we examine the most recent developments of GANs based techniques for addressing imbalance problems in image data. The real-world challenges and implementations of synthetic image generation based on GANs are extensively covered in this survey. Our survey first introduces various imbalance problems in computer vision tasks and its existing solutions, and then examines key concepts such as deep generative image models and GANs. After that, we propose a taxonomy to summarize GANs based techniques for addressing imbalance problems in computer vision tasks into three major categories: 1. Image level imbalances in classification, 2. object level imbalances in object detection and 3. pixel level imbalances in segmentation tasks. We elaborate the imbalance problems of each group, and provide GANs based solutions in each group. Readers will understand how GANs based techniques can handle the problem of imbalances and boost performance of the computer vision algorithms

An Overview about Emerging Technologies of Autonomous Driving

Since DARPA started Grand Challenges in 2004 and Urban Challenges in 2007, autonomous driving has been the most active field of AI applications. This paper gives an overview about technical aspects of autonomous driving technologies and open problems. We investigate the major fields of self-driving systems, such as perception, mapping and localization, prediction, planning and control, simulation, V2X and safety etc. Especially we elaborate on all these issues in a framework of data closed loop, a popular platform to solve the long tailed autonomous driving problems

Multi-task near-field perception for autonomous driving using surround-view fisheye cameras

Die Bildung der Augen führte zum Urknall der Evolution. Die Dynamik änderte sich von einem primitiven Organismus, der auf den Kontakt mit der Nahrung wartete, zu einem Organismus, der durch visuelle Sensoren gesucht wurde. Das menschliche Auge ist eine der raffiniertesten Entwicklungen der Evolution, aber es hat immer noch Mängel. Der Mensch hat über Millionen von Jahren einen biologischen Wahrnehmungsalgorithmus entwickelt, der in der Lage ist, Autos zu fahren, Maschinen zu bedienen, Flugzeuge zu steuern und Schiffe zu navigieren. Die Automatisierung dieser Fähigkeiten für Computer ist entscheidend für verschiedene Anwendungen, darunter selbstfahrende Autos, Augmented Realität und architektonische Vermessung. Die visuelle Nahfeldwahrnehmung im Kontext von selbstfahrenden Autos kann die Umgebung in einem Bereich von 0 - 10 Metern und 360° Abdeckung um das Fahrzeug herum wahrnehmen. Sie ist eine entscheidende Entscheidungskomponente bei der Entwicklung eines sichereren automatisierten Fahrens. Jüngste Fortschritte im Bereich Computer Vision und Deep Learning in Verbindung mit hochwertigen Sensoren wie Kameras und LiDARs haben ausgereifte Lösungen für die visuelle Wahrnehmung hervorgebracht. Bisher stand die Fernfeldwahrnehmung im Vordergrund. Ein weiteres wichtiges Problem ist die begrenzte Rechenleistung, die für die Entwicklung von Echtzeit-Anwendungen zur Verfügung steht. Aufgrund dieses Engpasses kommt es häufig zu einem Kompromiss zwischen Leistung und Laufzeiteffizienz. Wir konzentrieren uns auf die folgenden Themen, um diese anzugehen: 1) Entwicklung von Nahfeld-Wahrnehmungsalgorithmen mit hoher Leistung und geringer Rechenkomplexität für verschiedene visuelle Wahrnehmungsaufgaben wie geometrische und semantische Aufgaben unter Verwendung von faltbaren neuronalen Netzen. 2) Verwendung von Multi-Task-Learning zur Überwindung von Rechenengpässen durch die gemeinsame Nutzung von initialen Faltungsschichten zwischen den Aufgaben und die Entwicklung von Optimierungsstrategien, die die Aufgaben ausbalancieren.The formation of eyes led to the big bang of evolution. The dynamics changed from a primitive organism waiting for the food to come into contact for eating food being sought after by visual sensors. The human eye is one of the most sophisticated developments of evolution, but it still has defects. Humans have evolved a biological perception algorithm capable of driving cars, operating machinery, piloting aircraft, and navigating ships over millions of years. Automating these capabilities for computers is critical for various applications, including self-driving cars, augmented reality, and architectural surveying. Near-field visual perception in the context of self-driving cars can perceive the environment in a range of 0 - 10 meters and 360° coverage around the vehicle. It is a critical decision-making component in the development of safer automated driving. Recent advances in computer vision and deep learning, in conjunction with high-quality sensors such as cameras and LiDARs, have fueled mature visual perception solutions. Until now, far-field perception has been the primary focus. Another significant issue is the limited processing power available for developing real-time applications. Because of this bottleneck, there is frequently a trade-off between performance and run-time efficiency. We concentrate on the following issues in order to address them: 1) Developing near-field perception algorithms with high performance and low computational complexity for various visual perception tasks such as geometric and semantic tasks using convolutional neural networks. 2) Using Multi-Task Learning to overcome computational bottlenecks by sharing initial convolutional layers between tasks and developing optimization strategies that balance tasks

Human-in-the-Loop Methods for Data-Driven and Reinforcement Learning Systems

Recent successes combine reinforcement learning algorithms and deep neural networks, despite reinforcement learning not being widely applied to robotics and real world scenarios. This can be attributed to the fact that current state-of-the-art, end-to-end reinforcement learning approaches still require thousands or millions of data samples to converge to a satisfactory policy and are subject to catastrophic failures during training. Conversely, in real world scenarios and after just a few data samples, humans are able to either provide demonstrations of the task, intervene to prevent catastrophic actions, or simply evaluate if the policy is performing correctly. This research investigates how to integrate these human interaction modalities to the reinforcement learning loop, increasing sample efficiency and enabling real-time reinforcement learning in robotics and real world scenarios. This novel theoretical foundation is called Cycle-of-Learning, a reference to how different human interaction modalities, namely, task demonstration, intervention, and evaluation, are cycled and combined to reinforcement learning algorithms. Results presented in this work show that the reward signal that is learned based upon human interaction accelerates the rate of learning of reinforcement learning algorithms and that learning from a combination of human demonstrations and interventions is faster and more sample efficient when compared to traditional supervised learning algorithms. Finally, Cycle-of-Learning develops an effective transition between policies learned using human demonstrations and interventions to reinforcement learning. The theoretical foundation developed by this research opens new research paths to human-agent teaming scenarios where autonomous agents are able to learn from human teammates and adapt to mission performance metrics in real-time and in real world scenarios.Comment: PhD thesis, Aerospace Engineering, Texas A&M (2020). For more information, see https://vggoecks.com