轨迹预测系列 | HiVT之进化版QCNet到底讲了啥？

HiVT的进化版（不先看HiVT也能直接读这篇），性能和效率上大幅提升。

文章也很容易阅读。

【轨迹预测系列】【笔记】HiVT: Hierarchical Vector Transformer for Multi-Agent Motion Prediction - 知乎 (zhihu.com)

原文链接：

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

Abstract

Agent作为中心进行预测的模型存在一个问题，当窗口移动时需要多次重复normalize到agent中心，再进行重复encoding的过程，对于onboard使用是不划算的。因此对于场景的encoding我们采用了query-centric的框架，可重复使用已经计算过的结果，不依赖于全局的时间坐标系。同时，因为对于不同agent共享了场景特征，使得agent的轨迹decoding过程可更加并行化处理。

对于场景进行了复杂的编码，目前的解码方法对于mode的信息抓取还是比较困难，特别是对于长时间的预测。为了解决这个问题，我们首先使用anchor-free的query生成轨迹proposal（走一步看一步的提取特征方法），这样model能够更好利用不同时间刻位的场景特征。然后是调整模块，利用上一步得到的proposal来进行轨迹的调优（动态的anchor-based）。通过这些高质量的anchor，我们的query-based decoder可以更好地处理mode的特征。

打榜成功。这个设计也实现了场景特征encoding和并行多agent的decoding的pipeline。

Introduction

目前的轨迹预测paper有这么几个问题：

1. 对于多种异构的场景信息额度处理效率低下。无人驾驶任务里，数据以一帧一帧的流给到model，包含矢量化的高精地图和周围agent的历史轨迹。最近的factorized attention方法（时空分开分别进行attentin）将这些信息的处理提升到新高度。但这需要对于每个场景元素做attention，如果场景非常复杂，cost还是很大的。
2. 随着预测的时间增长，预测的不确定性也在爆炸式增长。比如在路口的车可能直行或转弯。为了避免错过潜在的可能性，模型需要获取多mode的分布，而不是仅仅只预测出现频率最高的mode。但是gt只有一个，没法对多个可能性进行比较好的学习。有些paper提出了多个手捏的anchor来监督的做法，这个效果就完全取决于anchor的质量高低了。当anchor无法准确cover gt时，这个做法就很糟糕了。也有别的做法直接预测多mode，忽视了mode塌缩和训练不稳定的问题。

为了解决上述问题，我们提出了QCNet。

首先，我们想要在利用好强大的factorized attention的同时，提高onboard的inference速度。过去的agent-centric encoding办法显然不行。当下一帧数据到来，窗口就会移动，但还是和上一帧有很大部分重叠的，所以我们有机会重复使用这些feature。但是agent-centric办法需要转到agent坐标系，导致其必须要重新encode场景。为了解决这个问题，我们使用了query-centric的办法：场景元素在它们自己的时空坐标系内进行特征提取，和全局坐标系无关（ego在哪无关了）。（高精地图可以用因为地图元素有长久的id，非高精地图应该就不好用了，地图元素的得在前后帧tracking住）

这使得我们可以把之前处理好的encoding结果进行重复使用，对于agent来说直接用这些cache的feature，这样就能节省latency了。

其次，为了更好地用这些场景encode结果进行多mode长时间预测，我们使用了anchor-free的query来一步步（在上一个位置的地方）提取场景的feature，这样每一次的decode都是非常短的一步。这个做法可以使得对于场景的特征提取重心放在agent未来在的某一个位置，而不是为了考虑未来多个时刻的位置，去提取远处的feature。这样得到的高质量anchor会在下一个refine的module进行精细调整。这样结合了anchor-free和anchor-based的做法充分利用了两个办法的优点，实现多mode长时间的预测。

这个做法是第一个探索了轨迹预测的连续性来实现高速inference的办法。同时decoder部分也兼顾了多mode和长时间预测的任务。

Approach

Input and Output

同时prediction模块还可以从高精地图获得M个polygon，每一个polygon都有多个点以及语义信息（crosswalk，lane等类型）。

预测模块使用T个时刻的上述的agent state和地图信息，要给出K个总共T'长度预测轨迹，同时还有其概率分布。

Query-Centric Scene Context Encoding

第一步自然是场景的encode。目前流行的factorized attention（时间和空间维度分别做attention）是这么做的，具体来说一共有三步：

1. 时间维度attention，时间复杂度O(A)，每个agent自己的时间维度矩阵乘法
2. agent和map的cross attention，时间复杂度O(ATM)，在每个时刻，agent和地图元素的矩阵乘法
3. agent和agent间的attention，时间复杂度O(T), 在每个时刻，agent和agent矩阵乘法

这个做法和之前的先在时间维度压缩feature到当前时刻，再agent和agent，agent和地图间交互的做法比起来，是对于过去每个时刻去做交互，因此可以获取更多信息，比如agent和map间在每个时刻的交互演变。

但是缺点是三次方的复杂度随着场景变复杂，元素变多，会变得很大。我们的目标就是既用好这个factorized attention，同时不让时间复杂度这么容易爆炸。

一个很容易想到的办法是利用上一帧的结果，因为在时间维度上其实有T-1帧是完全重复的。但因为我们需要把这些feature旋转平移到agent当前帧的的位置和朝向，因此没法就这么使用上一帧运算得到的结果。

为了解决坐标系的问题，采用了query-centric办法，来学习场景元素的特征，而不依赖它们的全局坐标。这个做法对每个场景元素建立了局部的时空坐标系，在这个坐标系内提取特征，即使ego到别处，这个局部提取出来的特征也是不变的。这个局部时空坐标系自然也有一个原点位置和方向，这位置信息作为key，提取出来的特征作为value，便于之后的attention操作。整个做法分为下面几步：

Local Spacetime Coordinate System

对于agent i在t时刻的feature来说，选择这个时刻的位置和朝向作为参考系。对于map元素来说，则采用这个元素的起始点作为参考系。这样的参考系选择方法可以在ego移动后提取的feature保持不变。

Scene Element Embedding

对于每个元素内的别的向量特征，都在上述参考系里获取极坐标表示表达。然后将它们转成傅里叶特征来获取高频信号。concat上语义特征后再MLP获取特征。对于map元素，为了保证内部点的顺序不相关性，先做attention后pooling的操作。最后获得agent特征为[A, T, D], map特征为[M, D]. D是特征维度，保持一致才可以方便attention的矩阵相乘。这样提取出来的特征可以使得ego处于任何地方都能使用。

傅里叶embedding: 制造正态分布的embedding，对应各种频率的权重，乘输入和2Π, 最后取cos和sin作为feature。直观理解的话应该是把输入当作一个信号，把信号解码成多个基本信号（多个频率的信号）。这样可以更好的抓取高频信号，高频信号对于结果的精细程度很重要，一般的做法容易丢精细的高频信号。值得注意的是对于noisy数据不建议使用，因为会误抓错误的高频信号。（感觉有点像overfit，不能太general但又不能精准过头）

Relative Spatial-Temporal Positional Embedding

Self-Attention for Map Encoding

Factorized Attention for Agent Encoding

附近的定义为agent周围50m范围内。一共会进行次。

值得注意的是，通过以上方法得到的feature具备了时空不变性，即不管ego在什么时刻到什么地方，上述feature都是不变的，因为都没有针对当前的位置信息进行平移旋转。由于相比于上一帧只是多了新的一帧数据，并不需要计算之前的时刻的feature，所以总的计算复杂度除以了T。

Query-Based Trajectory Decoding

类似于DETR的anchor-free query去某些key value里做attention的办法会导致训练不稳定，模态塌缩的问题，同时长时间预测也不靠谱，因为不确定度会在靠后时间爆炸。因此此模型采用了先来一次粗的anchor-free query办法，再对这个输出进行refine的anchor-base办法。

整个网络结构

Mode2Scene and Mode2Mode Attention

Mode2Scene的两步都采用了DETR结构：query为K个轨迹mode（粗的proposal步是直接随机生成的，refine步是由proposal步得到的feature作为输入），然后在场景feature（agent历史，map，周围agent）上做多次cross attention。

DETR结构

Mode2Mode则是在K个mode间进行self attention，企图实现mode间的diverse，不要都聚在一起。

Reference Frames of Mode Queries

为了并行预测多个agent的轨迹，场景的encoding是被多个agent分享的。因为场景feature都是相对于自身的feature，所以要使用的话还是得转到agent的视角下。对于mode的query，会附加上agent的位置和朝向信息。和之前encode相对位置类似的操作，也会对场景元素和agent的相对位置的信息进行embedding作为key和value。（直观上说就是agent每个mode在附近信息使用上的一个加权注意力）

Anchor-Free Trajectory Proposal

第一次是anchor free的办法，采用可以学习的query来制造相对低质量的轨迹proposal，一共会产生K个proposal。由于会用cross attention的方式从场景信息里提取特征，因此可以高效产生比较少而有效的anchor供第二次refine使用。self attention则使得各proposal总体会更diverse。

Anchor-Based Trajectory Refinement

anchor free的办法虽然比较简单，但也存在训练不稳定的问题，有可能mode塌缩。同时，随机生成的mode还需要能在全场景里对于不同agent都有不错的表现，这比较难，很容易生成出不符合运动学的或者不符合交通的轨迹proposal。因此我们想到可以再来一次anchor-based修正。在proposal的基础上预测了一个offset（加到原proposal获得修正后轨迹），并预测了每个新轨迹的概率。

这个模块同样使用了DETR的形式，每个mode的query都是用上一步的proposal来提取，具体是用了一个小的GRU来embed每个anchor（一步步往前走），使用到最后一个时刻的feature作为query。这些基于anchor的query可以提供一定的空间信息，使得attention时更容易捕捉有用的信息。

Training Objectives

和HiVT一样（参考HiVT的分析），采用Laplace分布。直白的讲就是把每个mode下每个时刻建模为一个laplace分布（参考一般的高斯分布，由mean和var，代表这个点的位置和其不确定性）。并且认为时刻之间是独立的（直接连乘）。Π代表了对应mode的概率。

Loss的话由3部分组成

主要分为两部分：分类loss和回归loss。

分类loss是指预测概率的loss，这个地方要注意的是需要打断梯度回传，不可以让概率的引起的梯度传到对于坐标的预测（即在假设每个mode预测位置为合理的前提下）。label则是最接近gt的为1，别的都是0。

回归loss有两个，一个是一阶段的proposal的loss，一个是二阶段的refine的loss。采用赢者通吃的办法，即只计算最接近gt的mode的loss，两个阶段的回归loss都要算。为了训练的稳定性，此处在两个阶段中也打断了梯度回传，使得proposal学习就专门学习proposal，refine就只学refine。

Experiments

Argoverse2基本各项SOTA（* 表示使用了ensemble技巧）

b-minFDE相比minFDE的区别在于额外乘上了和其概率相关的系数. 即目标希望FDE最小的那条轨迹的概率越高越好。

关于ensemble技巧，感觉是有点作弊的：可以参考BANet里的介绍，下面简单介绍一下。

生成轨迹的最后一步同时连做好多遍结构一样的submodel（decoder），会给出多组预测，比如有7个submodel，每个有6条预测，一共42条。然后用kmeans来进行聚类（以最后一个坐标点为聚类标准），目标是6组，每组7条，然后每组里面进行加权平均获得新轨迹。

加权方法如下，为当前轨迹和gt的b-minFDE，c为当前轨迹的概率，在每组里面进行权重计算，然后对轨迹坐标加权求和获得一条新轨迹。（感觉多少有些tricky，因为c其实是这个轨迹在submodel输出里的概率，拿来在聚类里算有点不太符合预期）

并且这么操作后新轨迹的概率也很难精准计算，不能用上述方法，否则总概率和就不一定是1了。似乎也只能等权重地算聚类里的概率了。

Argoverse1也是遥遥领先

关于场景encode的研究：如果复用了之前的场景encode结果，infer的时间可以大幅减少。agent和场景信息的factorized attention交互次数变多，预测效果也会变好，只是latency也涨的很凶，需要权衡。

各种操作的研究：证明了refine的重要性，以及factorized attention在各种交互中的重要性，缺一不可。