軌跡預測系列 | HiVT之進化版QCNet到底講了啥？

HiVT的演化版（不先看HiVT也能直接讀這篇），效能和效率上大幅提升。

文章也很容易閱讀。

【軌跡預測系列】【筆記】HiVT: Hierarchical Vector Transformer for Multi-Agent Motion Prediction - 知乎(zhihu.com)

原文連結：

##https: //openaccess.thecvf.com/content/CVPR2023/papers/Zhou_Query-Centric_Trajectory_Prediction_CVPR_2023_paper.pdf

#Abstract

Agent作為中心進行預測的模型存在一個問題，當一個問題視窗移動時需要重複normalize多次到agent中心，再進行重複encoding的過程，對於onboard使用是不划算的。因此對於場景的encoding我們採用了query-centric的框架，可重複使用已經計算過的結果，不依賴全局的時間座標系。同時，因為對於不同agent共享了場景特徵，使得agent的軌跡decoding過程可更加並行化處理。

對於場景進行了複雜的編碼，目前的解碼方法對於mode的資訊抓取還是比較困難，特別是對於長時間的預測。為了解決這個問題，我們首先使用anchor-free的query產生軌跡proposal（走一步看一步的提取特徵方法），這樣model能夠更好利用不同時間刻位的場景特徵。接著是調整模組，利用上一步得到的proposal來進行軌跡的調優（動態的anchor-based）。透過這些高品質的anchor，我們的query-based decoder可以更好地處理mode的特徵。

打榜成功。這個設計也實現了場景特徵encoding和並行多agent的decoding的pipeline。

Introduction

目前的軌跡預測paper有這麼多問題：

對於多種
1. 異質的場景訊息額度處理效率低。無人駕駛任務裡，數據以一幀一幀的流給到model，包含向量化的高精地圖和周圍agent的歷史軌跡。最近的factorized attention方法（時空分開分別進行attentin）將這些資訊的處理提升到新高度。但這需要對於每個場景元素做attention，如果場景非常複雜，cost還是很大的。
隨著預測的時間增長，預測的
2. 不確定性也在爆炸性成長。例如在路口的車可能直行或轉彎。為了避免錯過潛在的可能性，模型需要取得多mode的分佈，而不是只預測出現頻率最高的mode。但是gt只有一個，沒辦法對多個可能性進行比較好的學習。有些paper提出了多個手捏的anchor來監督的做法，這個效果就完全取決於anchor的品質高低了。當anchor無法準確cover gt時，這個做法就很糟糕了。也有別的做法直接預測多mode，忽略了mode塌縮和訓練不穩定的問題。

為了解決上述問題，我們提出了QCNet。

首先，我們想要在利用好強大的factorized attention的同時，提高onboard的inference速度。過去的agent-centric encoding辦法顯然不行。當下一幀資料到來，視窗就會移動，但還是和上一幀有很大部分重疊的，所以我們有機會

重複使用這些feature。但是agent-centric辦法需要轉到agent座標系，導致其必須重新encode場景。為了解決這個問題，我們使用了query-centric的方法：場景元素在它們自己的時空座標系內進行特徵提取，和全局座標系無關（ego在哪裡無關了）。 （高精地圖可以用因為地圖元素有長久的id，非高精地圖應該就不好用了，地圖元素的得在前後幀tracking住）

這使得我們可以把之前處理好的encoding結果重複使用，對於agent來說直接用這些cache的feature，這樣就能節省latency了。

其次，為了更好地用這些場景encode結果進行多mode長時間預測，我們使用了anchor-free的query來一步步（在上一個位置的地方）提取場景的feature，這樣每一次的decode都是非常短的一步。這個做法可以使得對於場景的特徵提取重心放在agent未來在的某個位置，而不是為了考慮未來多個時刻的位置，去提取遠處的feature。這樣得到的高品質anchor會在下一個refine的module進行精細調整。這樣

結合了anchor-free和anchor-based的做法充分利用了兩個辦法的優點，實現多mode長時間的預測。

這個做法是第一個探討了軌跡預測的連續性來實現高速inference的辦法。同時decoder部分也兼顧了多mode和長時間預測的任務。

Approach

Input and Output

同時prediction模組還可以從高精地圖獲得M個polygon，每個polygon都有多個點以及語意資訊（crosswalk，lane等類型）。

預測模組使用T個時刻的上述的agent state和地圖信息，要給出K個總共T'長度預測軌跡，同時還有其機率分佈。

Query-Centric Sc​​ene Context Encoding

#第一步自然是場景的encode。目前流行的factorized attention（時間和空間維度分別做attention）是這麼做的，具體來說一共有三步：

1. 時間維度attention，時間複雜度O(A #)，每個agent自己的時間維度矩陣乘法
2. agent和map的cross attention，時間複雜度O(ATM)，在每個時刻，agent和地圖元素的矩陣乘法
3. agent和agent間的attention，時間複雜度O(T), 在每個時刻，agent和agent矩陣乘法

這個做法和之前的先在時間維度壓縮feature到當下時刻，再agent和agent，agent和地圖間交互的做法比起來，是對於過去每個時刻去做交互，因此可以獲取更多信息，比如agent和map間在每個時刻的交互演變。

但缺點是三次方的複雜度隨著場景變得複雜，元素變多，會變得很大。我們的目標就是既用好這個factorized attention，同時不讓時間複雜度這麼容易爆炸。

一個很容易想到的辦法是利用上一幀的結果，因為在時間維度上其實有T-1幀是完全重複的。但因為我們需要把這些feature旋轉平移到agent目前幀的位置和朝向，因此沒辦法就這樣使用上一幀運算得到的結果。

為了解決座標系的問題，採用了query-centric辦法，來學習場景元素的特徵，而不依賴它們的全局座標。這個做法對每個場景元素建立了局部的時空座標系，在這個座標系內提取特徵，即使ego到別處，這個局部提取出來的特徵也是不變的。這個局部時空座標係自然也有一個原點位置和方向，這位置資訊作為key，提取出來的特徵作為value，以便於之後的attention操作。整個做法分為下面幾步：

Local Spacetime Coordinate System

對於agent i在t時刻的feature來說，選擇這個時刻的位置和朝向作為參考系。對於map元素來說，則採用這個元素的起始點作為參考系。這樣的參考系選擇方法可以在ego移動後提取的feature保持不變。

Scene Element Embedding

對於每個元素內的別的向量特徵，都在上述參考系裡取得極座標表示表達。然後將它們轉成傅立葉特徵來獲取高頻訊號。 concat上語意特徵後再MLP取得特徵。對於map元素，為了確保內部點的順序不相關性，先做attention後pooling的操作。最後得到agent特徵為[A, T, D], map特徵為[M, D]. D是特徵維度，保持一致才可以方便attention的矩陣相乘。這樣提取出來的特徵可以使得ego在任何地方都能使用。

傅立葉embedding: 製造常態分佈的embedding，對應各種頻率的權重，乘輸入和2Π, 最後取cos和sin作為feature。直覺理解的話應該是把輸入當作一個訊號，把訊號解碼成多個基本訊號（多個頻率的訊號）。這樣可以更好的抓取高頻訊號，高頻訊號對於結果的精細程度很重要，一般的做法容易失去精細的高頻訊號。值得注意的是對於noisy資料不建議使用，因為會誤抓錯誤的高頻訊號。 （感覺有點像overfit，不能太general但又不能精準過頭）

Relative Spatial-Temporal Positional Embedding

#Self-Attention for Map Encoding

#Factorized Attention for Agent Encoding

#附近的定義為agent周圍50m範圍內。一共會進行次。

值得注意的是，透過上述方法得到的feature具備了時空不變性，即不管ego在什麼時刻到什麼地方，上述feature都是不變的，因為都沒有針對當前的位置資訊進行平移旋轉。由於相較於上一幀只是多了新的一幀數據，並不需要計算之前的時刻的feature，所以總的計算複雜度除以了T。

Query-Based Trajectory Decoding

##類似DETR的anchor-free query去某些key value裡做attention的辦法會導致訓練不穩定，模態塌縮的問題，同時長時間預測也不可靠，因為不確定度會在後面爆炸。因此此模型採用了先來一次粗的anchor-free query辦法，再對這個輸出進行refine的anchor-base辦法。

整個網路結構

Mode2Scene and Mode2Mode Attention

Mode2Scene的兩個步驟都採用了DETR結構：query為K個軌跡mode （粗的proposal步是直接隨機產生的，refine步是由proposal步得到的feature作為輸入），然後在場景feature（agent歷史，map，周圍agent）上做多次cross attention。

DETR結構

Mode2Mode則是在K個mode間進行self attention，企圖實現mode間的diverse，不要都聚在一起。

Reference Frames of Mode Queries

為了並行預測多個agent的軌跡，場景的encoding是被多個agent分享的。因為場景feature都是相對於自身的feature，所以要使用的話還是得轉到agent的視角。對於mode的query，會附加上agent的位置和朝向資訊。和之前encode相對位置類似的操作，也會對場景元素和agent的相對位置的資訊進行embedding作為key和value。 （直覺上說就是agent每個mode在附近資訊使用上的一個加權注意力）

Anchor-Free Trajectory Proposal

第一次是anchor free的辦法，採用可以學習的query來製造相對低品質的軌跡proposal，總共會產生K個proposal。由於會用cross attention的方式從場景資訊中提取特徵，因此可以高效產生比較少而有效的anchor供第二次refine使用。 self attention則使得各proposal整體會更diverse。

Anchor-Based Trajectory Refinement

anchor free的辦法雖然比較簡單，但也存在訓練不穩定的問題，有可能mode塌縮。同時，隨機產生的mode也需要能在全場景裡對於不同agent都有不錯的表現，這比較難，很容易生成出不符合運動學的或者不符合交通的軌跡proposal。因此我們想到可以再來一次anchor-based修正。在proposal的基礎上預測了一個offset（加到原proposal以獲得修正後軌跡），並預測了每個新軌蹟的機率。

這個模組同樣使用了DETR的形式，每個mode的query都是用上一步的proposal來提取，具體是用了一個小的GRU來embed每個anchor（一步步往前走） ，使用到最後一個時刻的feature作為query。這些基於anchor的query可以提供一定的空間訊息，使得attention時更容易捕捉有用的信息。

Training Objectives

和HiVT一樣（參考HiVT的分析），採用Laplace分佈。直白的講法就是把每個mode下每個時刻建模為一個laplace分佈（參考一般的高斯分佈，由mean和var，代表這個點的位置和其不確定性）。並認為時刻之間是獨立的（直接連乘）。 Π代表了對應mode的機率。

Loss的話由3部分組成

#主要分為兩個部分：

分類loss和回歸loss。

分類loss是指預測機率的loss，這個地方要注意的是需要

打斷梯度回傳，不可以讓機率的引起的梯度傳到對於座標的預測（即在假設每個mode預測位置為合理的前提下）。 label則是最接近gt的為1，別的都是0。

回歸loss有兩個，一個是一階段的proposal的loss，一個是二階段的refine的loss。採用贏者全拿的辦法，也就是只計算最接近gt的mode的loss，兩個階段的迴歸loss都要算算出來。為了訓練的穩定性，這裡在兩個階段中也打斷了梯度回傳，使得proposal學習就專門學習proposal，refine就只學refine。

Experiments

Argoverse2基本各項SOTA（* 表示使用了ensemble技巧）

#b-minFDE相較於minFDE的差異在於額外乘上了與其機率相關的係數. 即目標希望FDE最小的那條軌跡的機率越高越好。

關於ensemble技巧，感覺是有點作弊的：可以參考BANet裡的介紹，以下簡單介紹一下。

生成軌蹟的最後一步同時連做好多遍結構一樣的submodel（decoder），會給出多組預測，例如有7個submodel，每個有6條預測，一共42條。然後用kmeans來進行聚類（以最後一個座標點為聚類標準），目標是6組，每組7條，然後每組裡面進行加權平均獲得新軌跡。

加權方法如下，為當前軌跡和gt的b-minFDE，c為當前軌蹟的機率，在每組裡面進行權重計算，然後對軌跡座標加權求和獲得一條新軌跡。 （感覺多少有些tricky，因為c其實是這個軌跡在submodel輸出裡的機率，拿來在聚類裡算有點不太符合預期）

並且這麼操作後新軌蹟的機率也很難精準計算，不能用上述方法，否則總機率和就不一定是1了。似乎也只能等權重地算聚類裡的機率了。

Argoverse1也是遙遙領先

關於場景encode的研究：如果復用了先前的場景encode結果，infer的時間可以大幅減少。 agent與場景資訊的factorized attention互動次數變多，預測效果也會變好，只是latency也漲的很兇，需要權衡。

各種操作的研究：證明了refine的重要性，以及factorized attention在各種互動中的重要性，缺一不可。

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