自动驾驶
自动驾驶开发流程
实现一个智能驾驶系统，会有几个层级：
感知层 → 融合层 → 规划层 → 控制层
更具体一点为：
传感器层 → 驱动层 → 信息融合层 → 决策规划层 → 底层控制层
各个层级之间都需要编写代码，去实现信息的转化。
最基本的层级有以下几类：采集及预处理、坐标转换、信息融合
采集
传感器跟我们的PC或者嵌入式模块通信时，会有不同的传输方式。
比如我们采集来自摄像机的图像信息，有的是通过千兆网卡实现的通信，也有的是直接通过视频线进行通信的。再比如某些毫米波雷达是通过CAN总线给下游发送信息的，因此我们必须编写解析CAN信息的代码。
不同的传输介质，需要使用不同的协议去解析这些信息，这就是上文提到的“驱动层”。
通俗地讲就是把传感器采集到的信息全部拿到，并且编码成团队可以使用的数据。
预处理
传感器的信息拿到后会发现不是所有信息都是有用的。
传感器层将数据以一帧一帧、固定频率发送给下游，但下游是无法拿每一帧的数据去进行决策或者融合的。为什么？
因为传感器的状态不是100%有效的，如果仅根据某一帧的信号去判定前方是否有障碍物（有可能是传感器误检了），对下游决策来说是极不负责任的。因此上游需要对信息做预处理，以保证车辆前方的障碍物在时间维度上是一直存在的，而不是一闪而过。
这里就会使用到智能驾驶领域经常使用到的一个算法——卡尔曼滤波。
坐标转换
坐标转换在智能驾驶领域十分重要。
传感器是安装在不同地方的，比如毫米波（上图中紫色区域）是布置在车辆前方的；当车辆前方有一个障碍物，距离这个毫米波雷达有50米，那么我们就认为这个障碍物距离汽车有50米吗？
不是的！因为决策控制层做车辆运动规划时，是在车体坐标系下完成的（车体坐标系一般以后轴中心为O点），因此毫米波雷达检测到的50米，转换到自车坐标系下，还需要加上传感器到后轴的距离。最终所有传感器的信息，都是需要转移到自车坐标系下的，这样所有传感器信息才能统一，供规划决策使用。
同理，摄像机一般安装在挡风玻璃下面，拿到的数据也是基于摄像机坐标系的，给下游的数据，同样需要转换到自车坐标系下。
自车坐标系：拿出你的右手，以大拇指 → 食指 → 中指 的顺序开始念 X、Y、Z
然后把手握成如下形状：
把三个轴的交点（食指根部）放在汽车后轴中心，Z轴指向车顶，X轴指向车辆前进方向。
各个团队可能定义的坐标系方向不一致，只要开发团队内部统一即可。
信息融合
信息融合是指把相同属性的信息进行多合一操作。
比如摄像机检测到了车辆正前方有一个障碍物，毫米波也检测到车辆前方有一个障碍物，激光雷达也检测到前方有一个障碍物，而实际上前方只有一个障碍物，所以我们要做的是把多传感器下这辆车的信息进行一次融合，以此告诉下游，前面有一辆车，而不是三辆车。
当然，信息融合中还涉及时延的补偿，具体如下：
对于一些大容量数据，确实不能以很高的频率发送（比如10Hz，100ms才发送一次）。这样的数据对高速行驶中的汽车来说，肯定会有偏差。
这些偏差我们算一下：
传感器检测到前方有一个静止障碍物，我100ms之后收到了这个传感器的信息，告诉我这个障碍物离我有30m。如果自车这时正以60KM/h的速度行驶，则这100ms，自车行驶了60 / 3.6 * 0.1 = 1.67m。
所以实际上这个障碍与我的距离为31.67m。
所以面对通信中产生的时延问题，尤其是低频率的信息，一定要考虑时延产生的后果。
时延补偿的另外一个问题：程序处理时，不能保证任何时候都是按固定的频率发送的。
这取决于硬件系统当时的环境，可能温度高了，性能下降，处理速度变慢，10Hz 的发送频率变成了 8Hz。如果我们的程序还是按固定的100ms去计算时延导致的偏差，必定会出现计算错误的情况。
因此我们需要引入时间戳，即在我们发送的信息中加入当前的系统时间，通过两帧数据的时间差来判断接受到的信号到底延时了多久，这种方式比根据频率判断来得更准确。
决策规划
这一层次主要设计的是拿到融合数据后，如何正确做规划。
规划包含纵向控制和横向控制。
纵向控制即速度控制，表现为 什么时候加速，什么时候制动。
横向控制即行为控制，表现为 什么时候换道，什么时候超车等。
个人对这一块不是很了解，不敢妄作评论。
从零开始学习无人驾驶技术 --- 车道检测
前言
个人兴趣爱好，最近在学习一些无人驾驶相关的技术，便萌生了循序渐进的写一系列文章的想法，这是第一篇。文章主要会以Udacity为主线，综合自己在学习过程中搜集的各种材料，取其精华，补其不足，力求通俗易懂，理论明确，实战有效，即作为一个学习总结，potentially又可以帮助对无人驾驶有兴趣但是零基础的朋友们 —— 注意这里的零基础是指未接触过无人驾驶领域，本系列还是需要一些简单的数学和机器学习知识。
因为本文是从零开始的第一篇，这里的车道检测是基础版本，需要满足几个先决条件：（1）无人车保持在同车道的高速路中行驶（2）车道线清晰可见（3）无人车与同车道内前车保持足够远的距离。
TLDR (or the take-away)
一个基础版的车道检测步骤主要分为以下几点：
- Gray Scale Transformation
- Gaussian Smoothing
- Canny Edge Detection
- ROI (Region of Interest) Based Edge Filtering
- Hough Transformation
- Lane Extrapolation
代码：Github链接
最后的效果如下视频所示，其中红线表示自动检测到的车道。
从图片开始谈起
无人车往往配备有数个camera，常见的情况是有一个camera固定在车的前方，用来perceive前方道路情况，生成视频。计算机对该视频进行分析，综合其他sensor的信息，对车辆行为进行指导。视频是由图片组成，如果能够成功检测图片上的车道，那我们就几乎解决了车道检测问题。下面是一张车辆行驶过程中的图片，让我们动手吧！
import matplotlib.image as mplimg
img = mplimg.imread('lane.jpg')
Gray Scale Transformation
这个变换比较简单，是将RGB图片转换成灰度图片，用来作为Canny Edge Detection的输入。
import cv2
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_RGB2GRAY)
# Note that if you use cv2.imread() to read image, the image will
# be in format BGR.
Gaussian Smoothing
Gaussian Smoothing是对图片apply一个Gaussian Filter，可以起到模糊图片和消除噪声的效果。其基本原理是重新计算图片中每个点的值，计算时取该点及其附近点的加权平均，权重符合高斯分布。下图左侧展示了一个kernel_size = 5的Gaussian Filter，55是高斯分布的中心点，341是网格中所有值的和。假设网格矩阵为，图片为，新图片为，则：
Gaussian Filter是一种低通过滤器，能够抑制图片中的高频部分，而让低频部分顺利通过。那什么是图片的高频部分呢？下图给出了一个比较极端的例子。爱好摄影的朋友们都知道相机ISO适当时能够得到右侧图片，画质细腻；如果ISO过大，就会导致产生左侧图片，画质差，噪点多。这些噪点就是图片中的高频部分，表示了像素值剧烈升高或降低。
介绍完了Gaussian Filter，现在可以将其应用到我们的灰度图片上：
blur_ksize = 5 # Gaussian blur kernel size
blur_gray = cv2.GaussianBlur(gray, (blur_ksize, blur_ksize), 0, 0)
Canny Edge Detection
John F. Canny在1986年发明了Canny Edge Detection技术，其基本原理是对图片中各个点求gradient，gradient较大的地方往往是edge。Canny Edge Detection精妙的地方在于它有两个参数：low_threshold和high_threshold。算法先比较gradient与这两个threshold的关系，如果gradient > high_threshold，就承认这是一个edge point；如果gradient < low_threshold，就断定这不是edge point；对于其他的点，如果与edge point相连接，那么这个点被认为也是edge point，否则不是。
canny_lthreshold = 50 # Canny edge detection low threshold
canny_hthreshold = 150 # Canny edge detection high threshold
edges = cv2.Canny(blur_gray, low_threshold, high_threshold)
ROI Based Edge Filtering
Woohoo! It's awesome! 经过了Canny Edge Detection，我们发现物体的轮廓都被检测到了！但是似乎东西有点儿太多了… 没关系，还有一个重要的条件没有用：camera相对于车是固定的，而无人车相对于车道的左右位置也是基本固定的，所以车道在camera视频中基本保持在一个固定区域内！据此我们可以画出一个大概的Region of Interest (ROI)，过滤掉ROI之外的edges。
def roi_mask(img, vertices):
mask = np.zeros_like(img)
mask_color = 255
cv2.fillPoly(mask, vertices, mask_color)
masked_img = cv2.bitwise_and(img, mask)
return masked_img
roi_vtx = np.array([[(0, img.shape[0]), (460, 325),
(520, 325), (img.shape[1], img.shape[0])]])
roi_edges = roi_mask(edges, roi_vtx)
Hough Transformation
目前看起来我们似乎已经得到了车道线了呢，然而…并没有！ 因为最终目标是得到exactly两条直线！而目前现在图中不仅有多条线，还有一些点状和块状区域，Hough Transformation的目的就是找到图中的线。
下图中左侧是image space，中间和右侧是Hough space。先看左侧和中间的图（右侧图见本节备注），image space中的一个点对应Hough space的一条线；image space中的两个点（）对应Hough space的两条相交线，且交点对应的线必经过image space的这两个点。
那么，如果Hough space中有多条线相交于一点，则在image space中对应的那些点应位于同一条线上，例如：
在实际操作中，我们往往将Hough space划分为网格状，如果经过一个格子的线的数目大于某threshold，我们认为这个经过这个格子的线在原image space对应的点应在同一条线上。具备了这些知识，我们可以用Hough Transformation来找线啦！
# Hough transform parameters
rho = 1
theta = np.pi / 180
threshold = 15
min_line_length = 40
max_line_gap = 20
def draw_lines(img, lines, color=[255, 0, 0], thickness=2):
for line in lines:
for x1, y1, x2, y2 in line:
cv2.line(img, (x1, y1), (x2, y2), color, thickness)
def hough_lines(img, rho, theta, threshold,
min_line_len, max_line_gap):
lines = cv2.HoughLinesP(img, rho, theta, threshold, np.array([]),
minLineLength=min_line_len,
maxLineGap=max_line_gap)
line_img = np.zeros((img.shape[0], img.shape[1], 3), dtype=np.uint8)
draw_lines(line_img, lines)
return line_img
line_img = hough_lines(roi_edges, rho, theta, threshold,
min_line_length, max_line_gap)
备注：如果image space中两个点，则其形成的直线斜率无限大，无法用中间的图表示，可以采用右侧的极坐标表示方式。
Lane Extrapolation
Almost there! 现在我们要根据得到的线计算出左车道和右车道，一种可以采用的步骤是：
- 根据斜率正负划分某条线属于左车道或右车道
- 分别对左右车道线移除outlier：迭代计算各条线的斜率与斜率均值的差，逐一移除差值过大的线
- 分别对左右车道线的顶点集合做linear regression，得到最终车道。
因为这部分代码有点儿多，就不贴在这里了，请参见我的Github代码。结果如下：
最最后，我们将结果和原图叠加：
cv2.addWeighted(img, 0.8, line_img, 1, 0)
图片任务完成！
回到视频上
现在我们将前面的代码打个包放到叫process_an_image的函数中，然后
from moviepy.editor import VideoFileClip
output = 'video_1_sol.mp4'
clip = VideoFileClip("video_1.mp4")
out_clip = clip.fl_image(process_an_image)
out_clip.write_videofile(output, audio=False)
将代码应用到三个不同的video上，看看结果！
注意：对于不同的情况，有些参数可能需要调节，第三个视频的处理需要一些额外的操作，会在我的Github代码中有具体描述。
参考资料
