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基于网格分类与纵横向注意力的城市道路车道线检测方法

常振廷 肖智豪 张文军 张荣辉 游峰

常振廷, 肖智豪, 张文军, 张荣辉, 游峰. 基于网格分类与纵横向注意力的城市道路车道线检测方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(3): 92-102. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.010
引用本文: 常振廷, 肖智豪, 张文军, 张荣辉, 游峰. 基于网格分类与纵横向注意力的城市道路车道线检测方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(3): 92-102. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.010
CHANG Zhenting, XIAO Zhihao, ZHANG Wenjun, ZHANG Ronghui, YOU Feng. A Method for Detecting Edge Lines of Traveling Lanes of Urban Roads Based on Grid Classification and Vertical-horizontal Attention[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(3): 92-102. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.010
Citation: CHANG Zhenting, XIAO Zhihao, ZHANG Wenjun, ZHANG Ronghui, YOU Feng. A Method for Detecting Edge Lines of Traveling Lanes of Urban Roads Based on Grid Classification and Vertical-horizontal Attention[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(3): 92-102. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.010

基于网格分类与纵横向注意力的城市道路车道线检测方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.010
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2019YFB1804205

国家自然科学基金项目 52172350

广州市重点领域研发计划项目 202206030005

广东省自然科学基金项目 2021B1515120032

详细信息
    作者简介:

    常振廷(1984—),硕士,高级工程师. 研究方向:交通大数据、自动驾驶与车路协同等. E-mail:jjczt@qq.com

    通讯作者:

    游峰(1977—),博士,副教授. 研究方向:车路协同与交通安全控制、汽车安全辅助驾驶等. E-mail:youfeng@scut.edu.cn

  • 中图分类号: U471.15

A Method for Detecting Edge Lines of Traveling Lanes of Urban Roads Based on Grid Classification and Vertical-horizontal Attention

  • 摘要: 车道线检测是汽车安全辅助驾驶系统的基础模块,在城市道路场景下车道线存在受碾压致特征缺失、车辆间相互遮挡以及光照环境复杂多变等问题,本文提出基于网格分类与纵横向注意力的车道线检测方法。提取道路图像的全局特征图,将其划分为若干网格,计算网格中车道线的存在概率;通过将车道线检测转化为网格位置的分类,定位每条车道线的特征点;构建基于Ghost模块的主干网络,结合车道线的形状特征,引入纵横向注意力机制,通过增强车道线纹理特征和融合位置信息,获取缺失的细节特征;利用三次多项式,拟合车道线特征点,修正车道线的检测结果。基于TuSimple与CULane数据集,在ResNet18、ResNet34和Dark-Net53中嵌入纵横向注意力模块,并开展对比实验。结果表明:在TuSimple数据集上,嵌入纵横向注意力模块后,模型精度均提升了约0.1%,与其他模型相比,Ghost-VHA模型的准确率为95.96%。在CULane数据集上,嵌入纵横向注意力模块可提升精度约0.65%,与其他模型相比,Ghost-VHA的F1分数为72.84%,提升了0.54%。在TuSimple与CULane数据集上,Ghost-VHA处理尺寸为288 px×800 px的图像仅需4.5 ms,具有良好的准确率和实时性。在CULane数据集上,网格列数量为300时效果最好,在TuSimple数据集上,网格列数量为50时效果最好。

     

  • 图  1  车道线检测流程图

    Figure  1.  Flowchart of lane detection

    图  2  车道线特征点检测原理

    Figure  2.  The principle of detecting feature points of lanes

    图  3  车道线的多尺度信息

    Figure  3.  Multi-scale information of lanes

    图  4  严重遮挡的车道线

    Figure  4.  Severely blocked lanes

    图  5  VHA模块

    Figure  5.  VHAmodule

    图  6  特征图可视化

    Figure  6.  Visualization of the feature map

    图  7  传统卷积与Ghost模块操作对比

    Figure  7.  Comparison between traditional convolution and Ghost module operation

    图  8  Ghost瓶颈层

    Figure  8.  Ghost bottleneck layer

    图  9  网络结构图

    Figure  9.  Network structure

    图  10  CULane数据集中各场景图像的分布情况

    Figure  10.  The distribution of images in each scene of the CULane

    图  11  不同的主干特征提取网络对模型性能的影响

    Figure  11.  The impact of different backbones on model performance

    图  12  不同的网格数量对模型性能的影响

    Figure  12.  The effect of different grid numbers on model performance

    图  13  车道线特征点拟合

    Figure  13.  Feature point fitting of lanes

    图  14  Tusimple和CULane数据集的可视化

    Figure  14.  Visualization of Tusimple and CULane data sets

    图  15  实际道路场景中的预测结果对比

    Figure  15.  Comparison of prediction results in actual road scenes

    表  1  Ghost-VHA主分支的架构

    Table  1.   Architecture of Ghost-VHA main branch

    输入(H × W × C) /px 操作 输出(C) VHA Stride
    288×800×3 Conv2d 3x3 16 2
    144×400×16 G-bneck 16 1
    144×400×16 G-bneck 24 2
    72×200×24 G-bneck 24 1
    72×200×24 G-bneck 40 1 2
    36×100×40 G-bneck 40 1 1
    36×100×40 G-bneck 80 2
    18×50×80 G-bneck 80 1
    18×50×80 G-bneck 80 1
    18×50×80 G-bneck 80 1
    18×50×80 G-bneck 112 1 1
    18×50×112 G-bneck 112 1 1
    18×50×112 G-bneck 160 1 2
    9×25×160 G-bneck 160 1
    9×25×160 G-bneck 160 1 1
    9×25×160 G-bneck 160 1
    9×25×160 G-bneck 160 1 1
    9×25×160 Conv2d 1×1 960 1
    9×25×960 AvgPool 7×7
    1×1×1 800 Conv2d 1×1 1 800 1
    1×1×1 800 FC 1 000
    注:G-bneck为Ghost bottleneck;“输出”为输出通道的数量;“VHA”为是否使用VHA模块。
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    表  2  数据集介绍

    Table  2.   Dataset introduction

    数据集 图片总数/张 训练集/个 验证集/个 测试集/个 分辨率/px 车道数/条 场景
    TuSimple 6 408 3 268 358 2 782 1 280×720 ≤ 5 高速公路
    CULane 133 235 88 880 9 675 34 680 1 640×590 ≤ 4 城市与高速公路
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    表  3  不同的主干特征提取网络对模型性能的影响

    Table  3.   The impact of different backbones on model performance

    主干特征提取网络 CULane测试集 TuSimple测试集
    F1/% 单帧图像处理时间/ms 准确率/% 单帧图像处理时间/ms
    A ResNet18 69.42 3.69 95.67 3.82
    B ResNet18-VHA 70.21 4.30 95.81 5.20
    C ResNet34 71.44 5.22 95.76 5.66
    D ResNet34-VHA 72.09 5.50 95.84 6.87
    E Darknet53 71.45 6.17 95.72 6.81
    F Darknet53-VHA 72.12 7.59 95.88 7.95
    G Ghost-VHA 72.84 4.50 95.96 5.31
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    表  4  不同网络在CULane测试集上F1指标和运行时间对比

    Table  4.   Comparison of F1 and running time of different networks on the CULane test set

    场景 方法
    Res50-Seg SCNN PINet(4H) Res-34-SAD Res-101-SAD ResNet34-ultra Ghost-VHA
    正常 87.4 90.6 90.3 89.9 90.7 90.7 90.4
    拥堵 64.1 69.7 72.3 68.5 70.0 70.2 71.3
    夜间 60.6 66.1 67.3 64.6 66.3 66.7 67.7
    无车道线 38.1 43.4 49.8 42.2 43.5 44.4 42.4
    阴影 60.7 66.9 68.4 67.7 67 69.3 74.8
    地面箭头 79.0 84.1 83.7 83.8 84.4 85.7 85.7
    眩光 54.1 58.5 66.3 59.9 59.9 59.5 61.8
    弯道 59.8 64.4 65.6 66.0 65.7 69.5 61.8
    交叉口 2 505 1 990 1 427 1 960 2 052 2 037 1 574
    全量数据集 66.7 71.6 72.3 70.7 71.8 72.3 72.84
    单帧图像处理时间t/ms 133.5 40 50.5 171.2 5.7 4.5
    倍数 1.3× 4.3× 3.4× 30× 38×
    FPS 7.5 25 19.8 5.8 175.4 222
    注:“交叉口”一行中的数据为FP,数值越小检测效果越好。
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    表  5  不同网络在TuSimple测试集上准确率和运行时间对比

    Table  5.   Comparison of accuracy and running time of different networks on the TuSimple test set

    方法 准确率/% 运行时间t/ms 倍数
    ResNet18-Seg 92.69 25.3 5.3×
    ResNet34-Seg 92.84 50.5 2.6×
    LaneNet 96.38 19.0 7.0×
    PINet(4H) 96.75 40.0 3.3×
    SCNN 96.53 133.5 1.0×
    ENet-SAD 96.64 13.4 10.0×
    ResNet34-ultra 95.56 12.7 10.6×
    Ghost-VHA 95.96 5.3 25×
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  • 收稿日期:  2022-03-29
  • 网络出版日期:  2023-09-16

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