基于LSS范式的BEV感知算法优化部署详解

简介

BEV即Bird's Eye View(鸟瞰视图）是一种从空中俯视场景的视角。由多张不同视角采集的图像通过不同的空间转换方式形成，如下图所示，左侧为6张不同位置的相机采集的图像，右侧为转换的BEV图像。

BEV感知模型指的是直接输出BEV坐标系下的感知结果，如动静态检测目标，车道线，路面标识等。BEV坐标系好处是：

1. 成本低。相比3D点云的方式来补充3维信息，纯视觉方案的成本更低；

2. 可以直接给到下游任务，例如预测和规划；

3. 可以在模型中融合各视角的特征，提升感知效果；

4. 可以更好的和各类传感器进行融合。

对于下游的预测和规控任务而言，需要的是3D的目标，因此在传统的自动驾驶方案中，2D的感知推理结果需要通过复杂的后处理去解决3D坐标提升的问题。而BEV感知模型是更接近于一种端到端的解决方案。

当前主要的BEV 转换方式为以下三种：

• IPM-based：基于地面平坦假设的逆透视映射方式，技术简单成本低，但是对上下坡情况拟合效果不好。

• LSS-based：通过显示的深度估计方式构建三维视锥点云特征，也是较常用的转换方式。

• Transformer-based：用transformer机制学习3D query和2D 图像特征之间的关系来建模。部署时global attention的计算量较大， 需要考虑端侧运行时对性能的影响。

在实际部署时，需要考虑算法的端侧性能。地平线的参考算法目前已赋能多家客户实现BEV感知算法在征程5上的部署和开发，多家客户已实现BEV demo开发。本文以LSS范式的BEV感知算法为例，介绍地平线提供的参考算法如何在公版的基础上做算法在征程5芯片的适配和模型的优化。

整体框架

BEV 感知架构

BEV系列的模型使用多视图的当前帧的6个RGB图像作为输入。输出是目标的3D Box和BEV分割结果。多视角图像首先使用2D主干获取2D特征。然后投影到3D BEV视角。接着对BEV feature 编码获取BEV特征。最后，接上任务特定的head，输出多任务结果。模型主要包括以下部分：

Part1—2D Image Encoder：图像特征提取层。使用2D主干网络（efficientnet）和FastSCNN输出不同分辨率的特征图。返回最后一层--上采样至1/16原图大小层，用于下一步投影至3D BEV坐标系中；

Part2—View transformer：采用不同的转换方式完成图像特征到BEV 3D特征的转换；

Part3—BEV transforms：对BEV特征做数据增强，仅发生在训练阶段；

Part4—3D BEV Encoder：BEV特征提取层；

Part5—BEV Decoder：分为Detection Head和Segmentation Head。

LSS方案

公版的LSS方案如下：

公版的LSS方案分为3个部分：

1. 将图像从2d平面提升到3d空间，生成3d视锥（frustum）点云，并对点云上所有的点预测context特征，生成context特征点云；

2. 对视锥点云和context特征点云进行 “Splat” 操作，在BEV网格中构建BEV特征；

3. BEV特征后，可通过“Shooting”完成特定的下游任务，比如Motion Planning。

模型部署分析

在部署之前，需要对公版模型做部署分析，避免模型中有BPU无法支持的算子和某些对性能影响较大的算子。对于无法支持的算子，需要做替换；对于影响性能的算子需要做优化。同时为了达到更好的精度会增加训练策略的优化和量化策略的优化。本章节先对公版模型做部署分析，最后给出地平线的优化方式。

问题1 大尺寸运算导致性能瓶颈

由于深度特征的增加，feature的维度是高于4维的，考虑到transpose算子的耗时问题和部署问题，LSS方案中会存在维度的折叠，对feature做view和H维度的折叠。对应的操作为：depth_feature会做view和Dim、H和W的折叠。维度折叠会导致feature的维度变大，在生成视锥点云时，其涉及的操作mul操作的输入也就增大了，在做部署时会导致DDR带宽问题。因此公版的步骤1中的大尺寸算子计算需要做对应的优化。

问题2 BEVpooling的索引操作支持问题

公版在做2D到3D转换时，从图像空间的index映射到BEV空间的index，相同的BEV空间index相加后再赋值到BEV tensor上，即公版的步骤二。考虑到征程5对索引操作无法支持，因此该操作在部署时需要做替换。

问题3 分割头粒度太粗

地平线提供的是多任务的BEV感知算法，对于多任务模型来说不同的任务需要特定的范围和粒度，特别是对于分割模型来说，分割的目标的粒度较小，因此相比于检测任务来说feature需要细化，即用更大的分辨率来表示。

问题4 grid 量化精度误差问题

对于依赖相机内外参的模型来说，转换时的点坐标极其重要，因此需要保障该部分的精度。同时grid的表示范围需要使用更大比特位的量化。

针对以上4个问题，本章节会介绍该部分在征程5的实现方式使其可以在板端部署并高速运行。

性能优化

mul的性能优化

为了减少大量的transpose操作和优化mul算子的耗时问题, 我们选择把深度和 feature 分别做grid_sample后执行mul操作，具体操作如下：

Python
#depth  B, N, D,H, W
depth = tensor(B,N,D,H,W)
feat = tensor(B,N,C,H,W)


#depth  B, 1, N *D, H*W
depth = depth.view(B, 1, N*D, H*W)


#feat -> B,C,N,H,W-> B, C, N*H, W
feat = feat.permute(0, 2, 1, 3, 4).view(B, C, N*H, W)


for i in range(self.num_points):
    homo_feat = self.grid_sample(
        feat,
        fpoints[i * B : (i + 1) * B],
    )


    homo_dfeat = self.dgrid_sample(
        dfeat,
        dpoints[i * B : (i + 1) * B],
    )
    homo_feat = self.floatFs.mul(homo_feat, homo_dfeat)
    homo_feats.append(homo_feat)

mul操作的计算量大幅减少，性能上提升4~5倍！

BEV_pooling部署优化

使用grid_sample代替公版的3D空间转换。即从原来的前向wrap-从图像空间特征转换到BEV空间特征，改为从BEV空间拉取图像空间特征。

公版实现：

a.通过一个深度估计变成6D的tensor

Python
volume = depth.unsqueeze(1) * cvt_feature.unsqueeze(2)
volume = volume.view(B, N, volume_channel_index[-1], self.D, H, W)
volume = volume.permute(0, 1, 3, 4, 5, 2)

b.从图像空间的index映射到BEV空间的index，相同的BEV空间index相加后再赋值到BEV tensor上

Python
def voxel_pooling(self, geom_feats, x):
        ...
        # flatten x
        x = x.reshape(Nprime, C)
        # flatten indices
        geom_feats = ((geom_feats - (self.bx - self.dx/2.)) / self.dx).long()
        geom_feats = geom_feats.view(Nprime, 3)
        ...
        # filter out points that are outside box
        kept = (geom_feats[:, 0] >= 0) & (geom_feats[:, 0] < nx[0]) 
            & (geom_feats[:, 1] >= 0) & (geom_feats[:, 1] < nx[1]) 
            & (geom_feats[:, 2] >= 0) & (geom_feats[:, 2] < nx[2])
        geom_feats = geom_feats[kept]
        x = x[kept]
        ...
        # argsort and get tensors from the same voxel next to each other
        ranks = geom_feats[:, 0] * (nx[1] * nx[2] * B) 
            + geom_feats[:, 1] * (nx[2] * B) 
            + geom_feats[:, 2] * B 
            + geom_feats[:, 3]
        sorts = ranks.argsort()
        x, geom_feats, ranks = x[sorts], geom_feats[sorts], ranks[sorts]
        ...
        return final

2. 地平线实现：

使用grid_sample代替公版的3D空间转换。grid_sample为采样算子，通过输入图像特征和2D点坐标grid，完成图像特征到BEV特征的转换，其工作原理见下图。

Grid_Samples 原理图

horizon_plugin_pytorch提供的grid_sample算子和公版输入略有差异，地平线已支持公版的grid_sample算子。

由于该转换方式是前向映射，前向映射会产生的BEV index并不均匀，最多的一个voxel有100多个点，最少有效点为0。我们在提供的源代码中使用了每个voxel使用了10个点，如果想要提升精度可以考虑增加每个voxel的有效点。

Python
#num_point为10
for i in range(self.num_points):
    homo_feat = self.grid_sample(
        feat,
        fpoints[i * B : (i + 1) * B],
    )


    homo_dfeat = self.dgrid_sample(
        dfeat,
        dpoints[i * B : (i + 1) * B],
    )
    homo_feat = self.floatFs.mul(homo_feat, homo_dfeat)
    homo_feats.append(homo_feat)

精度优化

多任务模型的精度优化

参考BEVerse模型对多任务根据不同粒度进行细化，在分割头做解码之前，将BEV feature的分辨率增大，map size为[200,400]，实现上由grid_sample完成。

Python
#init map module
if (self.bev_size and self.task_size and self.task_size != self.bev_size):
    self.grid_sample = hnn.GridSample(
        mode="bilinear",
        padding_mode="zeros",
    )


#decoder module forward
def forward(self, feats: Tensor, meta: Dict) -> Any:
    feat = feats[self.task_feat_index]
    if hasattr(self, "grid_sample"):
        batch_size = feat.shape[0]


        new_coords = self.new_coords.repeat(batch_size, 1, 1, 1)
        feat = self.grid_sample(feat, self.quant_stub(new_coords))
    feat = [feat]
    pred = self.head(feat)
    return self._post_process(meta, pred)

浮点模型精度的优化

在浮点模型的训练上，使用数据增强来增强模型的泛化能力，通过尝试不同的增强方式，最终选取BEVRotate方式对输入数据做transform。相比于未做数据增强的浮点模型mAP提升1.5个点，NDS提升0.6个点。详细实验记录见实验结果章节。

该实验结果为中间结果，非最终精度数据

量化精度的优化

BEV_LSS的量化训练采用horizon_plugin_pytorch的Calibration方式来实现的，通过插入伪量化节点对多个batch的校准数据基于数据分布特征来计算量化系数，从而达到模型的量化。BEV_LSS模型无需QAT训练就可以达到和浮点相当的精度。

除了量化方式上的优化，地平线对输入的grid也做了优化，包括了

1. 手动计算scale，使用固定的scale作为grid的量化系数。

Python
#fix scale
def get_grid_quant_scale(grid_shape, view_shape):
    max_coord = max(*grid_shape, *view_shape)
    coord_bit_num = math.ceil(math.log(max_coord + 1, 2))
    coord_shift = 15 - coord_bit_num
    coord_shift = max(min(coord_shift, 8), 0)
    grid_quant_scale = 1.0 / (1 << coord_shift)
    return grid_quant_scale
#get grid_quant_scale
grid_quant_scale = get_grid_quant_scale(grid_size, featview_shape)


##init
self.quant_stub = QuantStub(grid_quant_scale)

2.grid_sample算子的输入支持int16量化，为了保障grid的精度，地平线选择int16量化。

Python
self.quant_stub.qconfig = qconfig_manager.get_qconfig(
    activation_qat_qkwargs={"dtype": qint16, "saturate": True},
    activation_calibration_qkwargs={"dtype": qint16, "saturate": True},
)

基于以上对量化精度的优化后，最终定点精度达到和浮点相当的水平，量化精度达到99.7%！

实验结果

1.性能和精度数据

数据集	Nuscenes
Input shape	256x704
backbone	efficientnetb0
bev shape	128x128
FPS(单核)	138
latency(ms)	8.21
分割精度(浮点/定点)iou	divider	46.55/47.45
	ped_crossing	27.91/28.44
	Boundary	47.06/46.03
	Others	85.59/84.49
检测精度(浮点/定点)	NDS	0.3009/0.3000
	mAP	0.2065/0.2066

注：grid_sample的input_feature H,W ∈ [1, 1024] 且 H*W ≤ 720*1024

2. 不同数据增强方式对浮点模型的精度影响。

该实验结果为中间结果，非最终精度数据

3.地平线征程5部署LSS范式的BEV模型通用建议

•选用BPU高效支持的算子替换不支持的算子。

• num_point会直接影响性能和精度，可以根据需求做权衡。处于训练速度考虑使用topk选择点，若想要更高的精度可以对点的选择策略做优化。

• grid使用fixed scale来保障量化精度，如超过int8表示范围则开启int16量化，具体见grid量化精度优化章节。

•对于分辨率较大导致带宽瓶颈或不支持问题，可以拆分为多个计算，缓解带宽压力，保障模型可以顺利编译。

•对于常量计算（例如:grid计算）编译时可以作为模型的输入，提升模型的运行性能。

总结

本文通过对LSS范式的BEV多任务模型在地平线征程5上量化部署的优化，使得模型在该计算方案上用远低于1%的量化精度损失，得到latency为8.21ms的部署性能，同时，通过LSS范式的BEV模型的部署经验，可以推广到基于该范式的BEV模型的优化中，以便更好的在端侧部署。

审核编辑：刘清