Predictive Techniques for Scene Understanding by using Deep Learning in Autonomous Driving

La conducción autónoma es considerada uno de los más grandes retos tecnológicos de la actualidad. Cuando los coches autónomos conquisten nuestras carreteras, los accidentes se reducirán notablemente, hasta casi desaparecer, ya que la tecnología estará testada y no incumplirá las normas de conducción, entre otros beneficios sociales y económicos. Uno de los aspectos más críticos a la hora de desarrollar un vehículo autónomo es percibir y entender la escena que le rodea. Esta tarea debe ser tan precisa y eficiente como sea posible para posteriormente predecir el futuro de esta misma y ayudar a la toma de decisiones. De esta forma, las acciones tomadas por el vehículo garantizarán tanto la seguridad del vehículo en sí mismo y sus ocupantes, como la de los obstáculos circundantes, tales como viandantes, otros vehículos o infraestructura de la carretera. En ese sentido, esta tesis doctoral se centra en el estudio y desarrollo de distintas técnicas predictivas para el entendimiento de la escena en el contexto de la conducción autónoma. Durante la tesis, se observa una incorporación progresiva de técnicas de aprendizaje profundo en los distintos algoritmos propuestos para mejorar el razonamiento sobre qué está ocurriendo en el escenario de tráfico, así como para modelar las complejas interacciones entre la información social (distintos participantes o agentes del escenario, tales como vehículos, ciclistas o peatones) y física (es decir, la información geométrica, semántica y topológica del mapa de alta definición) presente en la escena. La capa de percepción de un vehículo autónomo se divide modularmente en tres etapas: Detección, Seguimiento (Tracking), y Predicción. Para iniciar el estudio de las etapas de seguimiento y predicción, se propone un algoritmo de Multi-Object Tracking basado en técnicas clásicas de estimación de movimiento y asociación validado en el dataset KITTI, el cual obtiene métricas del estado del arte. Por otra parte, se propone el uso de un filtro inteligente basado en información contextual de mapa, cuyo objetivo es monitorizar los agentes más relevantes de la escena en el tiempo, representando estos agentes filtrados la entrada preliminar para realizar predicciones unimodales basadas en un modelo cinemático. Para validar esta propuesta de filtro inteligente se usa CARLA (CAR Learning to Act), uno de los simuladores hiperrealistas para conducción autónoma más prometedores en la actualidad, comprobando cómo al usar información contextual de mapa se puede reducir notablemente el tiempo de inferencia de un algoritmo de tracking y predicción basados en métodos físicos, prestando atención a los agentes realmente relevantes del escenario de tráfico. Tras observar las limitaciones de un modelo de predicción basado en cinemática para la predicción a largo plazo de un agente, los distintos algoritmos de la tesis se centran en el módulo de predicción, usando los datasets Argoverse 1 y Argoverse 2, donde se asume que los agentes proporcionados en cada escenario de tráfico ya están monitorizados durante un cierto número de observaciones. En primer lugar, se introduce un modelo basado en redes neuronales recurrentes (particularmente redes LSTM, Long-Short Term Memory) y mecanismo de atención para codificar las trayectorias pasadas de los agentes, y una representación simplificada del mapa en forma de posiciones finales potenciales en la carretera para calcular las trayectorias futuras unimodales, todo envuelto en un marco GAN (Generative Adversarial Network), obteniendo métricas similares al estado del arte en el caso unimodal. Una vez validado el modelo anterior en Argoverse 1, se proponen distintos modelos base (sólo social, incorporando mapa, y una mejora final basada en Transformer encoder, redes convolucionales 1D y mecanismo de atención cruzada para la fusión de características) precisos y eficientes basados en el modelo de predicción anterior, introduciendo dos nuevos conceptos. Por un lado, el uso de redes neuronales gráficas (particularmente GCN, Graph Convolutional Network) para codificar de una forma potente las interacciones de los agentes. Por otro lado, se propone el preprocesamiento de trayectorias preliminares a partir de un mapa con un método heurístico. Gracias a estas entradas y una arquitectura más potente de codificación, los modelos base serán capaces de predecir distintas trayectorias futuras multimodales, es decir, cubriendo distintos posibles futuros para el agente de interés. Los modelos base propuestos obtienen métricas de regresión del estado del arte tanto en el caso multimodal como unimodal manteniendo un claro compromiso de eficiencia con respecto a otras propuestas. El modelo final de la tesis, inspirado en los modelos anteriores y validado en el más reciente dataset para algoritmos de predicción en conducción autónoma (Argoverse 2), introduce varias mejoras para entender mejor el escenario de tráfico y decodificar la información de una forma precisa y eficiente. Se propone incorporar información topológica y semántica de los carriles futuros preliminares con el método heurístico antes mencionado, codificación de mapa basada en aprendizaje profundo con redes GCN, ciclo de fusión de características físicas y sociales, estimación de posiciones finales en la carretera y agregación de su entorno circundante con aprendizaje profundo y finalmente módulo de refinado para mejorar la calidad de las predicciones multimodales finales de un modo elegante y eficiente. Comparado con el estado del arte, nuestro método logra métricas de predicción a la par con los métodos mejor posicionados en el Leaderboard de Argoverse 2, reduciendo de forma notable el número de parámetros y operaciones de coma flotante por segundo. Por último, el modelo final de la tesis ha sido validado en simulación en distintas aplicaciones de conducción autónoma. En primer lugar, se integra el modelo para proporcionar predicciones a un algoritmo de toma de decisiones basado en aprendizaje por refuerzo en el simulador SMARTS (Scalable Multi-Agent Reinforcement Learning Training School), observando en los estudios como el vehículo es capaz de tomar mejores decisiones si conoce el comportamiento futuro de la escena y no solo el estado actual o pasado de esta misma. En segundo lugar, se ha realizado un estudio de adaptación de dominio exitoso en el simulador hiperrealista CARLA en distintos escenarios desafiantes donde el entendimiento de la escena y predicción del entorno son muy necesarios, como una autopista o rotonda con gran densidad de tráfico o la aparición de un usuario vulnerable de la carretera de forma repentina. En ese sentido, el modelo de predicción ha sido integrado junto con el resto de capas de la arquitectura de navegación autónoma del grupo de investigación donde se desarrolla la tesis como paso previo a su implementación en un vehículo autónomo real

Human Motion Trajectory Prediction: A Survey

With growing numbers of intelligent autonomous systems in human environments, the ability of such systems to perceive, understand and anticipate human behavior becomes increasingly important. Specifically, predicting future positions of dynamic agents and planning considering such predictions are key tasks for self-driving vehicles, service robots and advanced surveillance systems. This paper provides a survey of human motion trajectory prediction. We review, analyze and structure a large selection of work from different communities and propose a taxonomy that categorizes existing methods based on the motion modeling approach and level of contextual information used. We provide an overview of the existing datasets and performance metrics. We discuss limitations of the state of the art and outline directions for further research.Comment: Submitted to the International Journal of Robotics Research (IJRR), 37 page

CASPNet++: Joint Multi-Agent Motion Prediction

The prediction of road users' future motion is a critical task in supporting advanced driver-assistance systems (ADAS). It plays an even more crucial role for autonomous driving (AD) in enabling the planning and execution of safe driving maneuvers. Based on our previous work, Context-Aware Scene Prediction Network (CASPNet), an improved system, CASPNet++, is proposed. In this work, we focus on further enhancing the interaction modeling and scene understanding to support the joint prediction of all road users in a scene using spatiotemporal grids to model future occupancy. Moreover, an instance-based output head is introduced to provide multi-modal trajectories for agents of interest. In extensive quantitative and qualitative analysis, we demonstrate the scalability of CASPNet++ in utilizing and fusing diverse environmental input sources such as HD maps, Radar detection, and Lidar segmentation. Tested on the urban-focused prediction dataset nuScenes, CASPNet++ reaches state-of-the-art performance. The model has been deployed in a testing vehicle, running in real-time with moderate computational resources.Comment: 8 pages, 6 figure

Gesture Recognition in Robotic Surgery with Multimodal Attention

Automatically recognising surgical gestures from surgical data is an important building block of automated activity recognition and analytics, technical skill assessment, intra-operative assistance and eventually robotic automation. The complexity of articulated instrument trajectories and the inherent variability due to surgical style and patient anatomy make analysis and fine-grained segmentation of surgical motion patterns from robot kinematics alone very difficult. Surgical video provides crucial information from the surgical site with context for the kinematic data and the interaction between the instruments and tissue. Yet sensor fusion between the robot data and surgical video stream is non-trivial because the data have different frequency, dimensions and discriminative capability. In this paper, we integrate multimodal attention mechanisms in a two-stream temporal convolutional network to compute relevance scores and weight kinematic and visual feature representations dynamically in time, aiming to aid multimodal network training and achieve effective sensor fusion. We report the results of our system on the JIGSAWS benchmark dataset and on a new in vivo dataset of suturing segments from robotic prostatectomy procedures. Our results are promising and obtain multimodal prediction sequences with higher accuracy and better temporal structure than corresponding unimodal solutions. Visualization of attention scores also gives physically interpretable insights on network understanding of strengths and weaknesses of each sensor

Long-term future prediction under uncertainty and multi-modality

Humans have an innate ability to excel at activities that involve prediction of complex object dynamics such as predicting the possible trajectory of a billiard ball after it has been hit by the player or the prediction of motion of pedestrians while on the road. A key feature that enables humans to perform such tasks is anticipation. There has been continuous research in the area of Computer Vision and Artificial Intelligence to mimic this human ability for autonomous agents to succeed in the real world scenarios. Recent advances in the field of deep learning and the availability of large scale datasets has enabled the pursuit of fully autonomous agents with complex decision making abilities such as self-driving vehicles or robots. One of the main challenges encompassing the deployment of these agents in the real world is their ability to perform anticipation tasks with at least human level efficiency. To advance the field of autonomous systems, particularly, self-driving agents, in this thesis, we focus on the task of future prediction in diverse real world settings, ranging from deterministic scenarios such as prediction of paths of balls on a billiard table to the predicting the future of non-deterministic street scenes. Specifically, we identify certain core challenges for long-term future prediction: long-term prediction, uncertainty, multi-modality, and exact inference. To address these challenges, this thesis makes the following core contributions. Firstly, for accurate long-term predictions, we develop approaches that effectively utilize available observed information in the form of image boundaries in videos or interactions in street scenes. Secondly, as uncertainty increases into the future in case of non-deterministic scenarios, we leverage Bayesian inference frameworks to capture calibrated distributions of likely future events. Finally, to further improve performance in highly-multimodal non-deterministic scenarios such as street scenes, we develop deep generative models based on conditional variational autoencoders as well as normalizing flow based exact inference methods. Furthermore, we introduce a novel dataset with dense pedestrian-vehicle interactions to further aid the development of anticipation methods for autonomous driving applications in urban environments.Menschen haben die angeborene Fähigkeit, Vorgänge mit komplexer Objektdynamik vorauszusehen, wie z. B. die Vorhersage der möglichen Flugbahn einer Billardkugel, nachdem sie vom Spieler gestoßen wurde, oder die Vorhersage der Bewegung von Fußgängern auf der Straße. Eine Schlüsseleigenschaft, die es dem Menschen ermöglicht, solche Aufgaben zu erfüllen, ist die Antizipation. Im Bereich der Computer Vision und der Künstlichen Intelligenz wurde kontinuierlich daran geforscht, diese menschliche Fähigkeit nachzuahmen, damit autonome Agenten in der realen Welt erfolgreich sein können. Jüngste Fortschritte auf dem Gebiet des Deep Learning und die Verfügbarkeit großer Datensätze haben die Entwicklung vollständig autonomer Agenten mit komplexen Entscheidungsfähigkeiten wie selbstfahrende Fahrzeugen oder Roboter ermöglicht. Eine der größten Herausforderungen beim Einsatz dieser Agenten in der realen Welt ist ihre Fähigkeit, Antizipationsaufgaben mit einer Effizienz durchzuführen, die mindestens der menschlichen entspricht. Um das Feld der autonomen Systeme, insbesondere der selbstfahrenden Agenten, voranzubringen, konzentrieren wir uns in dieser Arbeit auf die Aufgabe der Zukunftsvorhersage in verschiedenen realen Umgebungen, die von deterministischen Szenarien wie der Vorhersage der Bahnen von Kugeln auf einem Billardtisch bis zur Vorhersage der Zukunft von nicht-deterministischen Straßenszenen reichen. Insbesondere identifizieren wir bestimmte grundlegende Herausforderungen für langfristige Zukunftsvorhersagen: Langzeitvorhersage, Unsicherheit, Multimodalität und exakte Inferenz. Um diese Herausforderungen anzugehen, leistet diese Arbeit die folgenden grundlegenden Beiträge. Erstens: Für genaue Langzeitvorhersagen entwickeln wir Ansätze, die verfügbare Beobachtungsinformationen in Form von Bildgrenzen in Videos oder Interaktionen in Straßenszenen effektiv nutzen. Zweitens: Da die Unsicherheit in der Zukunft bei nicht-deterministischen Szenarien zunimmt, nutzen wir Bayes’sche Inferenzverfahren, um kalibrierte Verteilungen wahrscheinlicher zukünftiger Ereignisse zu erfassen. Drittens: Um die Leistung in hochmultimodalen, nichtdeterministischen Szenarien wie Straßenszenen weiter zu verbessern, entwickeln wir tiefe generative Modelle, die sowohl auf konditionalen Variations-Autoencodern als auch auf normalisierenden fließenden exakten Inferenzmethoden basieren. Darüber hinaus stellen wir einen neuartigen Datensatz mit dichten Fußgänger-Fahrzeug- Interaktionen vor, um Antizipationsmethoden für autonome Fahranwendungen in urbanen Umgebungen weiter zu entwickeln

A review of technical factors to consider when designing neural networks for semantic segmentation of Earth Observation imagery

Semantic segmentation (classification) of Earth Observation imagery is a crucial task in remote sensing. This paper presents a comprehensive review of technical factors to consider when designing neural networks for this purpose. The review focuses on Convolutional Neural Networks (CNNs), Recurrent Neural Networks (RNNs), Generative Adversarial Networks (GANs), and transformer models, discussing prominent design patterns for these ANN families and their implications for semantic segmentation. Common pre-processing techniques for ensuring optimal data preparation are also covered. These include methods for image normalization and chipping, as well as strategies for addressing data imbalance in training samples, and techniques for overcoming limited data, including augmentation techniques, transfer learning, and domain adaptation. By encompassing both the technical aspects of neural network design and the data-related considerations, this review provides researchers and practitioners with a comprehensive and up-to-date understanding of the factors involved in designing effective neural networks for semantic segmentation of Earth Observation imagery.Comment: 145 pages with 32 figure