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Maritime Environment Perception Based on Deep Learning

激光雷达 计算机科学 人工智能 卷积神经网络 目标检测 深度学习 计算机视觉 交叉口(航空) 跳跃式监视 卡尔曼滤波器 遥感 模式识别(心理学) 地理 地图学
作者
Jiaying Lin,Phillip Diekmann,Christian-Eike Framing,René Zweigel,Dirk Abel
出处
期刊:IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:23 (9): 15487-15497 被引量:14
标识
DOI:10.1109/tits.2022.3140933
摘要

Environment perception is an essential aspect of automated maritime vehicles, especially in high-traffic areas. In recent years, deep-learning-based object detection using LiDAR has been well developed in the automotive sector but has not yet seen a similar level of sophisticated development in maritime applications. In these applications, LiDAR detection should be fused with other maritime navigation systems such as the automatic identification system (AIS) to expand the detection range. To address this, we propose a novel deep-learning-based concept for maritime environment perception by using LiDAR as a primary sensor and AIS as an assisting information source. This approach consists of three functional modules: object detection, multi-object tracking, and static environment mapping. For object detection, we apply a convolutional neural network (CNN) to detect floating objects represented as oriented bounding boxes. To train the CNN, we propose a method that generates simulated labeled datasets. The detected objects from CNN are tracked with Kalman Filter banks. The remaining LiDAR data points are treated as static environments and represented by polygons. We evaluated the approach by using simulative and real-world datasets. In the simulation, the average precision of the CNN object detector reaches 60.8%, with a data processing rate of 40 Hz in GPU. Our real-world evaluations show that this approach can track 83% of the vessels in a crowded harbor, with the overall intersection over union reaching 64%. Our proposed approach represents the first application of CNN for LiDAR-based maritime environment perception, demonstrating its high potential for future online and real-world applications.

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