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Collaborative Uncertainty Benefits Multi-Agent Multi-Modal Trajectory Forecasting

弹道 计算机科学 情态动词 人工智能 机器学习 天文 物理 化学 高分子化学
作者
Bohan Tang,Yiqi Zhong,Chenxin Xu,Wei‐Tao Wu,Ulrich Neumann,Ya Zhang,Siheng Chen,Yanfeng Wang
出处
期刊:IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence [IEEE Computer Society]
卷期号:45 (11): 13297-13313 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tpami.2023.3290823
摘要

In multi-modal multi-agent trajectory forecasting, two major challenges have not been fully tackled: 1) how to measure the uncertainty brought by the interaction module that causes correlations among the predicted trajectories of multiple agents; 2) how to rank the multiple predictions and select the optimal predicted trajectory. In order to handle the aforementioned challenges, this work first proposes a novel concept, collaborative uncertainty (CU), which models the uncertainty resulting from interaction modules. Then we build a general CU-aware regression framework with an original permutation-equivariant uncertainty estimator to do both tasks of regression and uncertainty estimation. Furthermore, we apply the proposed framework to current SOTA multi-agent multi-modal forecasting systems as a plugin module, which enables the SOTA systems to: 1) estimate the uncertainty in the multi-agent multi-modal trajectory forecasting task; 2) rank the multiple predictions and select the optimal one based on the estimated uncertainty. We conduct extensive experiments on a synthetic dataset and two public large-scale multi-agent trajectory forecasting benchmarks. Experiments show that: 1) on the synthetic dataset, the CU-aware regression framework allows the model to appropriately approximate the ground-truth Laplace distribution; 2) on the multi-agent trajectory forecasting benchmarks, the CU-aware regression framework steadily helps SOTA systems improve their performances. Especially, the proposed framework helps VectorNet improve by 262 cm regarding the Final Displacement Error of the chosen optimal prediction on the nuScenes dataset; 3) in multi-agent multi-modal trajectory forecasting, prediction uncertainty is proportional to future stochasticity; 4) the estimated CU values are highly related to the interactive information among agents. The proposed framework can guide the development of more reliable and safer forecasting systems in the future.
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