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连接真实世界,高德地图背后的算法演进和创新

  演讲嘉宾简介:任小枫,高德地图首席科学家。   以下内容根据演讲视频以及PPT整理而成。   观看回放(戳我)   本次分享主要围绕以下三个方面:   一、高德地图简介   二、用算法连接世界   三、用算法创造出行未来   >>> 点击下PPT   一、高德地图   高德地图已经变成了国民级的出行工具,每日日活用户已经超过1亿,月活用户已经超4亿。高德地图服务还包括信息服务、驾车导航、共享出行、智慧公交、智慧景区、骑行、步行、长途出行等等。高德地图不光是个导航,更多的是一个互联网基础设施。淘宝是建立人与商品的关系,支付宝是建立人和资金的关系,高德地图是建立人与位置的关系,更进一步则是建立人与真实世界的关系。高德地图的使命是连接世界,让出行更美好。事实上,高德地图的APP只是大家所看到的冰山的一角,但在高德地图背后还有很多工作,如定位、路径规划、路况、ETA、网约车、货运、LBS游戏、供需+路径规划等等,这些工作都需要很多技术的支持。   image.png   二、用算法连接世界   1.地图制作   地图制作是一个非常复杂的过程。如下图,首先需要进行资料的采集,再通过算法进行自动识别。当然目前自动识别还无法达到全自动的程度,还需经过人工修正才能进入地图服务中。   image.png   地图制作算法类型:地图制作算法大致分为两类,一类是道路标志识别,如识别下图中的限速和禁停标志。除道路信息之外,还有POI挂牌识别算法,即Point of Interest,识别路边的店铺等兴趣点。两类算法的实现在现实场景中都面临着很多的挑战。   image.png   道路标志识别:以下图中的道路标志识别为例,首先需要通过目标检测算法将里面的标志进行识别。对所识别标志进行细分类,识别出是禁行标志。再进行文字识别,识别出具体的内容是长途客车,时间在2:00到5:00间。大体看起来道路标志识别的流程好像很简单,但实际实现过程中会遇到各种各样的困难。   image.png   道路标志识别挑战:   (1)道路标志种类繁多,如下图中所列出来的标志,这还不是全部的标志。如此多的道路标志给所识别标准细分类任务带来了很大的挑战。   image.png   (2)图像质量问题也会对道路标志识别带来较大的难题。图像问题包括畸变、反光、遮挡、分辨率较低、图像压缩等等。其成像质量由于光线、天气的影响会变得非常糟糕。image.png   解决图像畸变问题相当于相机自标定的过程。其中,相机的内参如焦距、中心、畸变等,外参如位置、角度等都是未知的。标准图像的标定算法需要拿到每个相机进行标定,实现起来并不现实。此时通过多源图像匹配的手段,通过利用质量较好的相机,可以在相当程度上解决相机自标定的问题。image.png   此外,我们可以用图像质量增强的方法来解决图像质量问题。下图中左侧是原图,放大原图可以看清一些文字内容,但还是有一些细节的文字不是很清晰。右图显示,用图像增强的方式,可以把文字内容变得更清楚。图像增强可以提高识别算法的精度,还可以用于模糊检测,也可以用于提高人工效率。   image.png   (3)小目标检测问题在图像检测领域经常出现。下图中的摄像头,从远处看大概可以猜到具体是什么,但是一旦放大,像素会非常糟糕,显示小目标本身的信息量很有限。小目标检测可以通过周边的信息辅助目标检测,引入注意力(Attention)机制,利用先验知识,如相机的分布、高度、大小等信息辅助解决小目标检测问题。   image.png   (4)在实际生活中除了小目标检测,更多的是对变化进行检测。如判断下图中是否属于同一电子眼,人眼由于时间,天气,设备等不同很难进行准确判断。而算法则可以通过检测位置、归属车道、电子眼架设类型、及分析场景等手段进行判断。   image.png   POI挂牌识别算法:真实的街道中,挂牌非常复杂且密度很高,所以POI挂牌识别时依然会遇到很多实际问题。   image.png   POI挂牌识别挑战:   (1)实际街道上,POI挂牌方式丰富多样,如牌坊式POI、铭牌式POI、挂牌式POI、门脸式POI等。实际街道中还有很多非挂牌POI式的目标,如条幅标语、横幅广告、墙体标语、交通标语对联、和车牌等。   image.png   (2)识别POI之后,需要进行文字的识别和提取。这时除了多种多样的POI挂牌之外,还有挂牌密集稀疏不一,特殊造型的挂牌,以及不清晰和不完整的挂牌等问题。对于这种复杂的问题需要结合多种技术解决,如多级级联检测模型,文字检测识别,三维重建位置匹配,模糊和遮挡检测技术。   image.png   (3)POI排版识别除了文字识别之外,还需要对牌面进行解析,理解牌面上的主名称、分店名、联系方式、营业范围和非PO文字等内容。因此POI文字识别首先要进行属性识别,根据文字语义、图像和位置进行特征融和,根据场景理解及上下文判断context。image.png   整体而言,要保证和提高地图数据的准确率,基于图像的自动化地图制作的程度和效率都非常重要。高德除了在提高算法及多源数据上投入很多精力之外,还在不断的引入新的技术。此外,高德希望未来可以将算法放在端上,更加实时有效的理解道路场景,收集更快更准确的地图信息。   2.搜索推荐   地图应用中搜索产品形态有很多种,首先用户可以输入简短的目的地信息,地图进行更进一步的精确搜索,返回结果。还有类目搜索和品牌搜索,如美食,娱乐品牌等。在沿途过程中,提供导航搜索功能。   image.png   地图搜索的特性和挑战:下图从技术角度将地图搜索与传统的电商和网页搜索进行了对比。首先,网页搜索的是非结构化的长文本,规模非常庞大,可达千亿级。电商搜索的是商品,规模可达到十亿级,返回图片列表。而地图搜索输入的是POI类型的结构化短文本,规模大概在千万级。但是地图搜索的精度要求相对更高,此外,需要收集地图空间位置信息作为搜索算法的支持。image.png   高德搜索技术演进之路:从2010年开始,高德开始构建搜索系统。自2014年,陆陆续续引入更高端的技术,构建搜索专家系统,全面引入机器学习和深度学习,构建搜索中台,全链路业务通道平台化。支持神马搜索、菜鸟、斑马、饿了么等业务。   image.png   模糊搜索案例:如下图所示,搜索“湖南省人力资源社会保障厅”,如果输入语句都正确,则可以直接搜到目的地。但实际上,输入语句总会出现错误,搜索算法需要引入地理纠错进行高低频纠错,通过语义匹配新增语义改写,通过空间关系建立文本空间模型。此外,搜索算法除了解决单纯的语句的匹配,更重要的是意图的识别,判断搜索范围在本地还是外地、需要精搜还是反搜、实时还是调研、出行目的是旅游还是公务。   image.png   多源地理信息库:高德希望构建以地理位置为基础的综合信息库,其中地理位置包括位置、路网、楼块和房间等信息,综合信息包括名称、类型、功能、时间、评论等。这些信息有多种来源,包括图像采集、文本大数据、搜索大数据、轨迹大数据、用户输入、行业资料等。如何将这些多源信息融合起来,支持构建精准的丰富的综合信息库是算法工作面临的一个主要挑战。   image.png   3.路径规划   高德路径规划演进之路:下图展示了高德路径规划的演进路线。从2004年开始,高德提供路径规划服务,经过陆陆续续算法的提升和演化,目前高德正处于钻研多目标算法阶段,以满足用户的诉求,快速规划出更好的路线。   image.png   路径规划挑战:现实场景中,路径规划技术需要解决超大规模的实时路径规划问题。具体而言,路线规划问题包括路网规模大,如全国道路数量就多达4000万。其次道路属性变化非常快,每个季度都有10%左右的更新。此外,路况信息更新更是要求以分钟级进行实时发布。   image.png   超大规模实时路径规划,作为实际问题,和学术界的最短路径算法有很大的不同。在标准算法的基础上,要提高效率,一个重要的方法是引入预处理,可以辅助解决大规模和实时性的挑战。预处理算法有很多,包括Arc Flags,Multi-Layers等。   image.png   综合起来,对于超大规模最短路径问题,有TNR、CH、CBR等学术界提出的比较好的算法。在实用中,如何在多种算法中做出选择?我们需要根据实际的需求,包括规模、实时性和路况更新,在算法性能和预处理性能之间找到平衡。   image.png   实际需求首先要保证规划算法的性能。此外还需要支持实时性需求,如支持小时级路网结构更新,分钟级路况更新。本质上,实时性的要求推动了算法的设计,基础算法以分层为主,分多个cell预计算求最短路径,cell根据路网结构进行partition,针对权重进行update。在硬件基础方面,在大内存的基础上,支持多核并发,以及cache优化。   image.png   4.数据挖掘   现实生活中有很多路径的信息,怎样从时空大数据中挖掘到所需要的具体信息?其中,具体需要挖掘的信息包括POI,新增道路,事故和拥挤等。   image.png   时空大数据挖掘挑战:   现实生活中的数据挖掘会遇到诸多挑战,如轨迹不准确,行为复杂,时效性要求较高等。目前,通过多源信息融和,借助时空模型如RNN,LSTM,CTC,TCN,GCN等,进行特定模型改进,可以支持闭环与数据回流。   image.png   POI过期挖掘案例:POI过期挖掘的业务特点是对空间拓扑的刻画,对多源特征的融和。此时可通过Wide&Deep的模型,Wide部分处理POI静态特征,Deep部分处理时序流量特征。高德在这方面也经历了多种模型的演化,从最开始的RNN到DeepTCN,可以更好的挖掘到POI过期信息。   image.png   道路新增挖掘案例:道路新增问题除了要对具体的问题进行算法的设计之外,如不同zoom的轨迹特征,mean shift轨迹取种子点,principle curve曲线等,还需要能够容错,通过概率模型解决短路,连通路等精细化场景。此外,通过CNN端到端模型,收集热力和卫星影像刻画空间信息,通过轨迹和路网连通性刻画驾驶行为。   image.png   三、用算法创造出行未来   1. 高精地图   高精地图是自动驾驶的基础。它对精度要求非常高,反映真实世界,无论对道路,车道,还是周围的信息进行完备和准确的刻画。高德对位置的准确性要求是10cm以内。收集到高精地图资料后需要解决以下几点问题。   高精地图挑战:   (1)资料对齐问题:即使高精采集车精度很高,但误差还是在1 m以上,通过对多次采集资料进行对齐,得到5cm以内的精准度。此外,还需要对植被影响等多种场景进行处理,同时保持轨迹的刚性,针对上下行观测角度不同,点云的不同,前端需要匹配ICP,语义,特征和形状,然后在后台对对齐的信息进行大规模的拉齐和平滑。   image.png   (2)识别:道路中很多物体需要进行识别,如车道线,路边缘,地面标识,以及OBJ对象包括杆,牌和桥等。识别的精度需要达到99+%的召回率,精度在10cm以内,但基于场景的变化,训练的样本非常有限。高德通过点云与图像算法的融和,及深度学习和传统算法的结合,复用常规地图中的额数据和模型,利用先验信息支持数据的回流和模型的的迭代。   image.png   (3)从高速到城市:上面的问题在高速道路上不是很严重,但在城市场景中,道路路型呈网状结构,包括高速、干道、小路等各种等级道路。此外,标识种类繁多,标识复杂多变,场景复杂多变,拥堵和遮挡。   2. 视觉定位(GPS)   在城市峡谷中经常与遇到定位不准的问题。下图中右侧红色部分是真实的位置,黄色是GPS定位的位置,可以发现偏离问题还是比较明显的。   image.png   视觉定位方法可以辅助解决定位不准问题。目前,手机上都有相机,越来越多的车也都配有相机。我们考虑利用图像和视频技术,建立一个通用的视觉方法来定位室内和室外的车和人。具体而言,有几种技术选择。SLAM/VIO是定位相对位置的方法。对于绝对位置的定位可通过三位重建稀疏特征+PnP的方法,得到比较精准的结果。还有一种方法是矢量地图+实时监测算法,对牌、线等对象进行检测,这类算法对计算算力和精度要求比较高。在此之外,高德也正在探索深度学习的方法,可以在精度和鲁棒性之间进行平衡。   image.png   如给到一张图片,希望得到其位置和角度。此时需要一个已知位置的参考图像,再结合实时图像,在全路网,全天候的条件下得到高效(毫秒级)的定位效果。image.png   3.AR导航   如何将导航体验做的更好?尤其在现实世界中会遇到很多复杂的场景。高德希望将导航做到所见即所得的效果,传统导航更多提供下图中左侧的两类图像。但更好的方式可能是下图右侧图像,通过AR的方式提升导航体验。   image.png   高德在2019年4月份发布了AR导航产品,下图展示了AR导航所提供的导航视图。道通过绿色路线进行指引,在拐弯处指示该如何转弯。此外,还有与前车距离的检测和碰撞预警功能,以及还在逐步更新的安全辅助驾驶功能。   image.png   与目前的自动驾驶技术不同的是,AR导航希望通过轻量级的手段解决技术难题。高德目前单相机传感器,1/5手机芯片的计算性能就能够达到较好的导航效果。   image.png   AR导航车辆检测案例:如下图需要检测前方车辆。为了高效的检测前方车辆,需要进行模型压缩,使用先验尺度,进行模型的训练优化。此外,在检测的基础上,进行实时的轨迹跟踪。   image.png   AR导航车道线分割案例:车道线检测与车辆检测同理,首先进行模型压缩,根据多任务模型,将多种目标检测算法融和起来,提高模型的复用。再进行模型训练优化,曲线拟合,将检测和跟踪进行结合。   image.png   AR导航引导线案例:AR导航视图中引导线是基于语义分割和回归模型的基础上,与传统的GPS导航进行融和,以提升模型效果。   image.png   下图中展示了目前高德AR导航的实际效果。AR导航可以实时预警前方的路过的行人,还可以对马路对面的变灯进行提醒。   image.png
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