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BEVFusion: A Simple and Robust LiDAR-Camera Fusion Framework

BEVFusion：一个简单而强大的LiDAR-相机融合框架

NeurIPS 2022

多模态传感器融合意味着信息互补、稳定，是自动驾驶感知的重要一环，本文注重工业落地，实际应用

融合方案:

前融合（数据级融合）指通过空间对齐直接融合不同模态的原始传感器数据 。

深度融合（特征级融合）指通过级联或者元素相乘在特征空间中融合 跨模态数据。

后融合（目标级融合）指将各模态模型的预测结果进行融合，做出最终决策。

框架与以前的激光雷达-相机融合方法的比较:

a.将图像特征投影到原始点云上的点级融合机制

从点出发，从点云中采样一些点，然后根据相机的内参和外参矩阵，投影到图像上，采样到图像特征，然后拼接回点云，利用融合后的特征经过点云处理模块去做3D检测

b.将LiDAR 特征或建议分别投影到每个视图图像上以提取RGB信息的特征级融合机制

将两种模态的中间特征通过内外参矩阵，拼接投影，融合出完整的特征，传递的是query,输入点云，通过一个点云网络，得到初始位置，初始位置去图像上采样特征，采样完再拼接到原始点云特征上

c.提出将相机网络与LiDAR输入分离

相机内外参偏差，点云投影会有偏差；相机卡帧；雷达出问题

前两种有主次依赖关系，一方出错影响另一方，故提出并行框架

///

BEVFusion主体结构

包括相机模块Camera Stream，点云模块LiDAR Stream以及融合模块

图像分支：

Camera Stream设计流程：

步骤1：2D Backbone提取基础图像特征(LSS)
步骤2：FPN+ADP，多尺度特征融合

步骤3：2D → 3D特征转换模块

步骤4：3D → BEV特征编码模块

输出：Camera BEV Features

FPN+ADP设计流程：

输入：基础图像特征

步骤1：每层特征使用ADP模块

步骤2：ADP模块包括上采样、池化、卷积

步骤3：多层特征融合

输出：多尺度融合特征

2D → 3D特征转换模块:

输入：多尺度融合特征

步骤1：深度分布估计

步骤2：2D到3D投影计算

输出：3D伪体素特征

点云分支

LiDAR Stream设计流程 ：

输入：原始点云

主要步骤：通过3D Backbone，处理原始点云数据，同时压缩到BEV空间，生成BEV特征

输出：LiDAR BEV Features

用的是 pointpillar结构点柱

Fusion Module
融合模块
Fusion Module设计流程 ：

输入：点云和图像BEV特征

步骤1：按通道维度级联点云和图像BEV特征，再通过卷积网络提取级联后的特征

步骤2：通过全局平均池化和卷积预测，实现对级联特征的自适应挑选

输出：融合后的特征

模态消融实验：

多模态的可行性，橙色框表示该范围内物体点云信息被丢弃，但BEVFusion可以通过camera分支恢复

nuScenes验证集(上)和测试集(下)的结果:

阿里&北大版本的bevfusion环境部署：

首先git项目

https://github.com/ADLab-AutoDrive/BEVFusion.git

bash 复制代码

mmdet - INFO - Environment info:
------------------------------------------------------------
sys.platform: linux
Python: 3.8.3 (default, Jul  2 2020, 16:21:59) [GCC 7.3.0]
CUDA available: True
GPU 0,1: NVIDIA GeForce RTX 3090
CUDA_HOME: /usr/local/cuda
NVCC: Build cuda_11.1.TC455_06.29190527_0
GCC: gcc (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04) 7.5.0
PyTorch: 1.8.0+cu111
PyTorch compiling details: PyTorch built with:
  - GCC 7.3
  - C++ Version: 201402
  - Intel(R) Math Kernel Library Version 2020.0.0 Product Build 20191122 for Intel(R) 64 architecture applications
  - Intel(R) MKL-DNN v1.7.0 (Git Hash 7aed236906b1f7a05c0917e5257a1af05e9ff683)
  - OpenMP 201511 (a.k.a. OpenMP 4.5)
  - NNPACK is enabled
  - CPU capability usage: AVX2
  - CUDA Runtime 11.1
  - NVCC architecture flags: -gencode;arch=compute_37,code=sm_37;-gencode;arch=compute_50,code=sm_50;-gencode;arch=compute_60,code=sm_60;-gencode;arch=compute_70,code=sm_70;-gencode;arch=compute_75,code=sm_75;-gencode;arch=compute_80,code=sm_80;-gencode;arch=compute_86,code=sm_86
  - CuDNN 8.0.5
  - Magma 2.5.2
  - Build settings: BLAS_INFO=mkl, BUILD_TYPE=Release, CUDA_VERSION=11.1, CUDNN_VERSION=8.0.5, CXX_COMPILER=/opt/rh/devtoolset-7/root/usr/bin/c++, CXX_FLAGS= -Wno-deprecated -fvisibility-inlines-hidden -DUSE_PTHREADPOOL -fopenmp -DNDEBUG -DUSE_KINETO -DUSE_FBGEMM -DUSE_QNNPACK -DUSE_PYTORCH_QNNPACK -DUSE_XNNPACK -O2 -fPIC -Wno-narrowing -Wall -Wextra -Werror=return-type -Wno-missing-field-initializers -Wno-type-limits -Wno-array-bounds -Wno-unknown-pragmas -Wno-sign-compare -Wno-unused-parameter -Wno-unused-variable -Wno-unused-function -Wno-unused-result -Wno-unused-local-typedefs -Wno-strict-overflow -Wno-strict-aliasing -Wno-error=deprecated-declarations -Wno-stringop-overflow -Wno-psabi -Wno-error=pedantic -Wno-error=redundant-decls -Wno-error=old-style-cast -fdiagnostics-color=always -faligned-new -Wno-unused-but-set-variable -Wno-maybe-uninitialized -fno-math-errno -fno-trapping-math -Werror=format -Wno-stringop-overflow, LAPACK_INFO=mkl, PERF_WITH_AVX=1, PERF_WITH_AVX2=1, PERF_WITH_AVX512=1, TORCH_VERSION=1.8.0, USE_CUDA=ON, USE_CUDNN=ON, USE_EXCEPTION_PTR=1, USE_GFLAGS=OFF, USE_GLOG=OFF, USE_MKL=ON, USE_MKLDNN=ON, USE_MPI=OFF, USE_NCCL=ON, USE_NNPACK=ON, USE_OPENMP=ON, 

TorchVision: 0.9.0+cu111
OpenCV: 4.8.1
MMCV: 1.4.0
MMCV Compiler: GCC 7.3
MMCV CUDA Compiler: 11.1
MMDetection: 2.11.0
MMDetection3D: 0.11.0+fb4384c
------------------------------------------------------------

库：

bash 复制代码

# packages in environment at /root/miniconda3/envs/bevfusion:
#
# Name                    Version                   Build  Channel
_libgcc_mutex             0.1                        main    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
_openmp_mutex             5.1                       1_gnu    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
absl-py                   2.0.0                    pypi_0    pypi
addict                    2.4.0                    pypi_0    pypi
anyio                     4.0.0                    pypi_0    pypi
argon2-cffi               23.1.0                   pypi_0    pypi
argon2-cffi-bindings      21.2.0                   pypi_0    pypi
arrow                     1.3.0                    pypi_0    pypi
asttokens                 2.4.0                    pypi_0    pypi
async-lru                 2.0.4                    pypi_0    pypi
attrs                     23.1.0                   pypi_0    pypi
babel                     2.13.0                   pypi_0    pypi
backcall                  0.2.0                    pypi_0    pypi
beautifulsoup4            4.12.2                   pypi_0    pypi
black                     23.9.1                   pypi_0    pypi
bleach                    6.1.0                    pypi_0    pypi
ca-certificates           2023.08.22           h06a4308_0    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
cachetools                5.3.1                    pypi_0    pypi
certifi                   2023.7.22                pypi_0    pypi
cffi                      1.16.0                   pypi_0    pypi
charset-normalizer        3.3.0                    pypi_0    pypi
click                     8.1.7                    pypi_0    pypi
comm                      0.1.4                    pypi_0    pypi
contourpy                 1.1.1                    pypi_0    pypi
cycler                    0.12.1                   pypi_0    pypi
cython                    0.29.32                  pypi_0    pypi
debugpy                   1.8.0                    pypi_0    pypi
decorator                 5.1.1                    pypi_0    pypi
defusedxml                0.7.1                    pypi_0    pypi
descartes                 1.1.0                    pypi_0    pypi
exceptiongroup            1.1.3                    pypi_0    pypi
executing                 2.0.0                    pypi_0    pypi
fastjsonschema            2.18.1                   pypi_0    pypi
filelock                  3.12.4                   pypi_0    pypi
fire                      0.5.0                    pypi_0    pypi
flake8                    6.1.0                    pypi_0    pypi
fonttools                 4.43.1                   pypi_0    pypi
fqdn                      1.5.1                    pypi_0    pypi
fsspec                    2023.9.2                 pypi_0    pypi
google-auth               2.23.3                   pypi_0    pypi
google-auth-oauthlib      1.0.0                    pypi_0    pypi
grpcio                    1.59.0                   pypi_0    pypi
huggingface-hub           0.18.0                   pypi_0    pypi
idna                      3.4                      pypi_0    pypi
imageio                   2.31.5                   pypi_0    pypi
importlib-metadata        6.8.0                    pypi_0    pypi
importlib-resources       6.1.0                    pypi_0    pypi
iniconfig                 2.0.0                    pypi_0    pypi
ipykernel                 6.25.2                   pypi_0    pypi
ipython                   8.12.3                   pypi_0    pypi
ipython-genutils          0.2.0                    pypi_0    pypi
ipywidgets                8.1.1                    pypi_0    pypi
isoduration               20.11.0                  pypi_0    pypi
jedi                      0.19.1                   pypi_0    pypi
jinja2                    3.1.2                    pypi_0    pypi
joblib                    1.3.2                    pypi_0    pypi
json5                     0.9.14                   pypi_0    pypi
jsonpointer               2.4                      pypi_0    pypi
jsonschema                4.19.1                   pypi_0    pypi
jsonschema-specifications 2023.7.1                 pypi_0    pypi
jupyter                   1.0.0                    pypi_0    pypi
jupyter-client            8.4.0                    pypi_0    pypi
jupyter-console           6.6.3                    pypi_0    pypi
jupyter-core              5.4.0                    pypi_0    pypi
jupyter-events            0.7.0                    pypi_0    pypi
jupyter-lsp               2.2.0                    pypi_0    pypi
jupyter-server            2.7.3                    pypi_0    pypi
jupyter-server-terminals  0.4.4                    pypi_0    pypi
jupyterlab                4.0.7                    pypi_0    pypi
jupyterlab-pygments       0.2.2                    pypi_0    pypi
jupyterlab-server         2.25.0                   pypi_0    pypi
jupyterlab-widgets        3.0.9                    pypi_0    pypi
kiwisolver                1.4.5                    pypi_0    pypi
ld_impl_linux-64          2.38                 h1181459_1    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
libffi                    3.3                  he6710b0_2    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
libgcc-ng                 11.2.0               h1234567_1    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
libgomp                   11.2.0               h1234567_1    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
libstdcxx-ng              11.2.0               h1234567_1    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
llvmlite                  0.31.0                   pypi_0    pypi
lyft-dataset-sdk          0.0.8                    pypi_0    pypi
markdown                  3.5                      pypi_0    pypi
markupsafe                2.1.3                    pypi_0    pypi
matplotlib                3.6.2                    pypi_0    pypi
matplotlib-inline         0.1.6                    pypi_0    pypi
mccabe                    0.7.0                    pypi_0    pypi
mistune                   3.0.2                    pypi_0    pypi
mmcv-full                 1.4.0                    pypi_0    pypi
mmdet                     2.11.0                    dev_0    <develop>
mmdet3d                   0.11.0                    dev_0    <develop>
mmpycocotools             12.0.3                   pypi_0    pypi
mypy-extensions           1.0.0                    pypi_0    pypi
nbclient                  0.8.0                    pypi_0    pypi
nbconvert                 7.9.2                    pypi_0    pypi
nbformat                  5.9.2                    pypi_0    pypi
ncurses                   6.4                  h6a678d5_0    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
nest-asyncio              1.5.8                    pypi_0    pypi
networkx                  2.2                      pypi_0    pypi
notebook                  7.0.5                    pypi_0    pypi
notebook-shim             0.2.3                    pypi_0    pypi
numba                     0.48.0                   pypi_0    pypi
numpy                     1.19.5                   pypi_0    pypi
nuscenes-devkit           1.1.9                    pypi_0    pypi
oauthlib                  3.2.2                    pypi_0    pypi
opencv-python             4.8.1.78                 pypi_0    pypi
openssl                   1.1.1w               h7f8727e_0    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
overrides                 7.4.0                    pypi_0    pypi
packaging                 23.2                     pypi_0    pypi
pandas                    1.4.4                    pypi_0    pypi
pandocfilters             1.5.0                    pypi_0    pypi
parso                     0.8.3                    pypi_0    pypi
pathspec                  0.11.2                   pypi_0    pypi
pexpect                   4.8.0                    pypi_0    pypi
pickleshare               0.7.5                    pypi_0    pypi
pillow                    10.1.0                   pypi_0    pypi
pip                       23.2.1           py38h06a4308_0    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
pkgutil-resolve-name      1.3.10                   pypi_0    pypi
platformdirs              3.11.0                   pypi_0    pypi
plotly                    5.11.0                   pypi_0    pypi
pluggy                    1.3.0                    pypi_0    pypi
plyfile                   1.0.1                    pypi_0    pypi
prometheus-client         0.17.1                   pypi_0    pypi
prompt-toolkit            3.0.39                   pypi_0    pypi
protobuf                  4.24.4                   pypi_0    pypi
psutil                    5.9.6                    pypi_0    pypi
ptyprocess                0.7.0                    pypi_0    pypi
pure-eval                 0.2.2                    pypi_0    pypi
pyasn1                    0.5.0                    pypi_0    pypi
pyasn1-modules            0.3.0                    pypi_0    pypi
pycocotools               2.0.7                    pypi_0    pypi
pycodestyle               2.11.1                   pypi_0    pypi
pycparser                 2.21                     pypi_0    pypi
pyflakes                  3.1.0                    pypi_0    pypi
pygments                  2.16.1                   pypi_0    pypi
pyparsing                 3.1.1                    pypi_0    pypi
pyquaternion              0.9.9                    pypi_0    pypi
pytest                    7.4.2                    pypi_0    pypi
python                    3.8.3                hcff3b4d_2    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
python-dateutil           2.8.2                    pypi_0    pypi
python-json-logger        2.0.7                    pypi_0    pypi
pytz                      2023.3.post1             pypi_0    pypi
pywavelets                1.4.1                    pypi_0    pypi
pyyaml                    6.0.1                    pypi_0    pypi
pyzmq                     25.1.1                   pypi_0    pypi
qtconsole                 5.4.4                    pypi_0    pypi
qtpy                      2.4.0                    pypi_0    pypi
readline                  8.2                  h5eee18b_0    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
referencing               0.30.2                   pypi_0    pypi
requests                  2.31.0                   pypi_0    pypi
requests-oauthlib         1.3.1                    pypi_0    pypi
rfc3339-validator         0.1.4                    pypi_0    pypi
rfc3986-validator         0.1.1                    pypi_0    pypi
rpds-py                   0.10.6                   pypi_0    pypi
rsa                       4.9                      pypi_0    pypi
safetensors               0.4.0                    pypi_0    pypi
scikit-image              0.19.3                   pypi_0    pypi
scikit-learn              1.1.3                    pypi_0    pypi
scipy                     1.9.3                    pypi_0    pypi
send2trash                1.8.2                    pypi_0    pypi
setuptools                68.0.0           py38h06a4308_0    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
shapely                   1.8.5.post1              pypi_0    pypi
six                       1.16.0                   pypi_0    pypi
sniffio                   1.3.0                    pypi_0    pypi
soupsieve                 2.5                      pypi_0    pypi
sqlite                    3.41.2               h5eee18b_0    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
stack-data                0.6.3                    pypi_0    pypi
tenacity                  8.2.3                    pypi_0    pypi
tensorboard               2.14.1                   pypi_0    pypi
tensorboard-data-server   0.7.1                    pypi_0    pypi
termcolor                 2.3.0                    pypi_0    pypi
terminado                 0.17.1                   pypi_0    pypi
terminaltables            3.1.10                   pypi_0    pypi
threadpoolctl             3.2.0                    pypi_0    pypi
tifffile                  2023.7.10                pypi_0    pypi
timm                      0.9.7                    pypi_0    pypi
tinycss2                  1.2.1                    pypi_0    pypi
tk                        8.6.12               h1ccaba5_0    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
tomli                     2.0.1                    pypi_0    pypi
torch                     1.8.0+cu111              pypi_0    pypi
torchaudio                0.8.0                    pypi_0    pypi
torchvision               0.9.0+cu111              pypi_0    pypi
tornado                   6.3.3                    pypi_0    pypi
tqdm                      4.66.1                   pypi_0    pypi
traitlets                 5.11.2                   pypi_0    pypi
types-python-dateutil     2.8.19.14                pypi_0    pypi
typing-extensions         4.8.0                    pypi_0    pypi
uri-template              1.3.0                    pypi_0    pypi
urllib3                   2.0.6                    pypi_0    pypi
wcwidth                   0.2.8                    pypi_0    pypi
webcolors                 1.13                     pypi_0    pypi
webencodings              0.5.1                    pypi_0    pypi
websocket-client          1.6.4                    pypi_0    pypi
werkzeug                  3.0.0                    pypi_0    pypi
wheel                     0.41.2           py38h06a4308_0    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
widgetsnbextension        4.0.9                    pypi_0    pypi
xz                        5.4.2                h5eee18b_0    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main
yapf                      0.32.0                   pypi_0    pypi
zipp                      3.17.0                   pypi_0    pypi
zlib                      1.2.13               h5eee18b_0    https://mirrors.ustc.edu.cn/anaconda/pkgs/main

最重要的是这三个：

mmcv-full一定要下载好与环境对应的版本，不然会影响编译，出奇怪的环境错误

提供我用的mmcv-full地址mmcv-full 1.4.0 cuda11 torch1.8.0版本

下好后直接pip安装这个压缩包（mmcv-full 1.4.0 安装好了）

其他的可以按照如上先pip install 下好,以免编译过程系统找这些包超时，也可直接编译，报一个不匹配装一个

然后 cd mmdetection-2.11.0，依次执行

bash 复制代码

pip install -r requirements/build.txt
pip install -v -e .  # or "python setup.py develop"

（mmdet 2.11.0 编译完毕）

编译最好执行这个命令：python setup.py develop

mmdetection3d没必要按他说的重新下载，整个文件夹就相当是，所以直接回到上级目录，执行 python setup.py develop（mmdet3d 0.11.0 编译完毕）

data文件直接在BEVFusion下创建，并把下载好的nuscenes解压放好，包括测试集解压后470多g

执行
python tools/create_data.py nuscenes --root-path ./data/nuscenes --out-dir ./data/nuscenes --extra-tag nuscenes处理数据，要点时间

bash 复制代码

# training example for bevfusion-pointpillar 
# train nuimage for camera stream backbone and neck.
./tools/dist_train.sh configs/bevfusion/cam_stream/mask_rcnn_dbswin-t_fpn_3x_nuim_cocopre.py 8
# first train camera stream
./tools/dist_train.sh configs/bevfusion/cam_stream/bevf_pp_4x8_2x_nusc_cam.py 8
# then train LiDAR stream
./tools/dist_train.sh configs/bevfusion/lidar_stream/hv_pointpillars_secfpn_sbn-all_4x8_2x_nus-3d.py 8
# then train BEVFusion
./tools/dist_train.sh configs/bevfusion/bevf_pp_2x8_1x_nusc.py 8

8是gpu数，按卡数改

执行训练，第一条nuimage的训练可以忽略，直接git上下载模型放好，后面三条语句依次执行就行，官方要求3090*8，自己没这么多卡，就两张，把batchsize调为1勉强能跑