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筆者的個人理解

在過去的十年里，自動駕駛在學術界和工業界都得到了快速發展。然而其有限的可解釋性仍然是一個懸而未決的重大問題，嚴重阻礙了自動駕駛的發展進程。以前使用小語言模型的方法由于缺乏靈活性、泛化能力和魯棒性而未能解決這個問題。近兩年隨著ChatGPT的出現，多模態大型語言模型（LLM）因其通過文本處理和推理非文本數據（如圖像和視頻）的能力而受到研究界的極大關注。因此一些工作開始嘗試將自動駕駛和大語言模型結合起來，今天汽車人為大家分享的DriveGPT4就是利用LLM的可解釋實現的端到端自動駕駛系統。DriveGPT4能夠解釋車輛動作并提供相應的推理，以及回答用戶提出的各種問題以增強交互。此外，DriveGPT4以端到端的方式預測車輛的運動控制。這些功能源于專門為無人駕駛設計的定制視覺指令調整數據集。DriveGPT4也是世界首個專注于可解釋的端到端自動駕駛的工作。當與傳統方法和視頻理解LLM一起在多個任務上進行評估時，DriveGPT4表現出SOTA的定性和定量性能。

項目主頁：https://tonyxuqaq.github.io/projects/DriveGPT4/

總結來說，DriveGPT4的主要貢獻如下：

• 為可解釋的自動駕駛開發了一個新的視覺指令調整數據集。
• 提出了一個全新的多模態LLM—DriveGPT4。DriveGPT4對創建的數據集進行了微調，可以處理多模態輸入數據，并提供文本輸出和預測的控制信號。
• 在多個任務上評估所有方法，DriveGPT4的性能優于所有基線。此外，DriveGPT4可以通過零樣本泛化處理看不見的場景。

通過ChatGPT生成指令數據

具體來說，DriveGPT4訓練使用的視頻和標簽是從BDD-X數據集中收集的，該數據集包含約20000個樣本，包括16803個用于訓練的clip和2123個用于測試的clip。每個clip采樣8個圖像。此外，它還提供每幀的控制信號數據（例如，車輛速度和車輛轉彎角度）。BDD-X為每個視頻clip提供了關于車輛行動描述和行動理由的文本注釋，如圖1所示。在以前的工作中，ADAPT訓練caption網絡來預測描述和理由。但是，提供的描述和標簽是固定的和剛性的。如果人類用戶希望了解更多關于車輛的信息并詢問日常問題，那么過去的工作可能會功虧一簣。因此，僅BDD-X不足以滿足可解釋自動駕駛的要求。

由ChatGPT/GPT4生成的指令調整數據已被證明在自然語言處理、圖像理解和視頻理解中對性能增強是有效的。ChatGPT/GPT4可以訪問更高級別的信息（例如，圖像標記的captions、GT目標邊界框），并可以用于提示生成對話、描述和推理。目前，還沒有為自動駕駛目的定制的視覺指令跟隨數據集。因此，我們在ChatGPT的輔助下，基于BDD-X創建了自己的數據集。

修正問題回答。由于BDD-X為每個視頻clip提供了車輛動作描述、動作理由和控制信號序列標簽，因此我們直接使用ChatGPT基于這些標簽生成一組三輪問答（QA）。首先，我們創建三個問題集：Qa、Qj和Qc。

• Qa包含相當于“這輛車目前的行動是什么？”的問題。
• Qj包含相當于“為什么車輛會有這種行為？”的問題。
• Qc包含相當于“預測下一幀中車輛的速度和轉彎角度”的問題。

LLM可以同時學習預測和解釋車輛動作。但是如前所述，這些QA具有固定和嚴格的格式。由于缺乏多樣性，僅對這些QA進行訓練會降低LLM的推理能力，使其無法回答其他形式的問題。

ChatGPT生成的對話。為了解決上述問題，ChatGPT作為一名教師以生成更多關于自車的對話。提示通常遵循LLaVA中使用的提示設計。為了使ChatGPT能夠“看到”視頻，YOLOv8用于檢測視頻每幀中常見的目標（例如，車輛、行人）。所獲得的目標框作為更高級別的信息饋送到ChatGPT。除了目標檢測結果外，ChatGPT還可以訪問視頻clip的真實控制信號序列和captions。基于這些特權信息，ChatGPT會被提示生成關于自車、紅綠燈、轉彎方向、變道、周圍物體、物體之間的空間關系等的多輪和類型的對話。詳細提示見附錄。

最后，我們收集了28K的視頻文本指令如下樣本，包括由ChatGPT生成的16K固定QA和12K對話。生成的示例如表1所示。

DriveGPT4

模型架構

DriveGPT4是一個多功能多模態的LLM，能夠處理各種輸入類型，包括視頻、文本和控制信號。視頻被均勻地采樣到固定數量的圖像中，并使用基于Valley的視頻標記器將視頻幀轉換為文本域標記。從RT-2中汲取靈感，文本和控制信號使用相同的文本標記器，這意味著控制信號可以被解釋為一種語言，并被LLM有效地理解和處理。所有生成的令牌都被連接起來并輸入到LLM中。本文采用LLaMA 2作為LLM。在生成預測的令牌后，de-tokenizer對其進行解碼以恢復人類語言。解碼文本包含固定格式的預測信號。DriveGPT4的整體架構如圖2所示。

視頻標記器。視頻標記器基于Valley。對于每個視頻幀，使用預訓練的CLIP視覺編碼器來提取其特征。的第一個通道表示的全局特征，而其他256個通道響應的patch特征。為了簡潔地表示，的全局特征被稱為，而的局部patch特征被表示為。然后，整個視頻的時間視覺特征可以表示為：

同時，整個視頻的空間視覺特征由下式給出：

最終，使用projector將視頻的時間特征T和空間特征S都投影到文本域中。tokenizer的詳細結構如圖3所示。

文本和控制信號。受RT-2的啟發，控制信號的處理類似于文本，因為它們屬于同一域空間。控制信號直接嵌入文本中進行提示，并使用默認的LLaMA標記器。在本研究中，ego車輛的速度v和轉向角?被視為目標控制信號。轉向角度表示當前幀和初始幀之間的相對角度。在獲得預測的令牌后，LLaMA的tokenizer用于將令牌解碼回文本。DriveGPT4預測后續步驟的控制信號，即（vN+1，?N+1）。預測的控制信號使用固定格式嵌入輸出文本中，通過簡單的后處理可以輕松提取。表2中給出了DriveGPT4的輸入和輸出示例。

訓練

與以往LLM相關研究一致，DriveGPT4的訓練包括兩個階段：（1）預訓練階段，重點是視頻文本對齊；以及（2）微調階段，旨在訓練LLM回答與端到端自動駕駛相關的問題。

預訓練。與LLaVA和Valley一致，該模型對來自CC3M數據集的593K個圖像-文本對和來自WebVid-10M數據集的100K個視頻-文本對進行了預訓練。預訓練圖像和視頻包含各種主題，并不是專門為自動駕駛應用設計的。在此階段，CLIP編碼器和LLM權重保持固定。只有視頻標記器被訓練為將視頻與文本對齊。

微調。在這個階段，DriveGPT4中的LLM與可解釋的端到端自動駕駛的視覺標記器一起進行訓練。為了使DriveGPT4能夠理解和處理主要知識，它使用前文中生成的28K視頻文本指令進行訓練。為了保持DriveGPT4回答日常問題的能力，還使用了LLaVA生成的80K指令跟蹤數據。因此，在微調階段，DriveGPT4使用28K視頻文本指令跟隨數據以及80K圖像文本指令跟隨的數據進行訓練。前者確保了DriveGPT4可以應用于可互操作的端到端自動駕駛，而后者增強了數據靈活性，有助于保持DriveGPT4的通用問答能力。

實驗

可解釋的自動駕駛

在本節評估了DriveGPT4及其解釋生成的基線，包括車輛行動描述、行動理由和有關車輛狀態的其他問題。ADAPT是最先進的基線工作。最近的多模式視頻理解LLM也被考慮進行比較。ADAPT采用32幀視頻作為輸入，而其他方法則采用8幀視頻作為輸出。

評估指標。為了詳細評估這些方法，本文報告了NLP社區中廣泛使用的多個指標得分，包括BLEU4、METEOR和CIDEr。然而，這些指標主要衡量單詞級別的性能，而沒有考慮語義，這可能會導致意想不到的評估結果。鑒于ChatGPT強大的推理能力，它被用來衡量預測質量，并提供更合理的分數。ChatGPT會被提示分配一個介于0和1之間的數字分數，分數越高表示預測精度越高。基于ChatGPT的評估的詳細提示見附錄。度量比較示例如圖4所示。與傳統指標相比，Chat-GPT生成的分數為評估提供了更合理、更令人信服的依據。

行動描述和理由。考慮到評估的成本和效率，DriveGPT4在來自BDD-X測試集的500個隨機采樣的視頻clip上進行了測試。目標是盡可能根據給定標簽預測車輛行動描述和理由。評估結果顯示在表3中。結果表明，與之前最先進的（SOTA）方法ADAPT相比，DriveGPT4實現了卓越的性能，盡管ADAPT使用32幀視頻，而DriveGPT4只有8幀視頻作為輸入。

附加問答。上述車輛行動描述和理由具有相對固定的格式。為了進一步評估DriveGPT的可解釋能力和靈活性，在第3節中生成了其他問題。BDD-X測試集中的100個隨機采樣的視頻片段用于生成問題。與行動描述和理由相比，這些問題更加多樣化和靈活。評價結果如表4所示。ADAPT無法回答除車輛操作說明和理由之外的其他問題。之前的視頻了解LLM可以回答這些問題，但他們沒有學習到駕駛領域的知識。與所有基線相比，DriveGPT4呈現出優異的結果，展示了其靈活性。

端到端控制

在本節評估了DriveGPT4及其開環控制信號預測的基線，特別關注速度和轉向角。所有方法都需要基于順序輸入來預測下一單個幀的控制信號。

評估指標。繼之前關于控制信號預測的工作之后，我們使用均方根誤差（RMSE）和閾值精度（Aτ）進行評估。τ測量預測誤差低于τ的測試樣本的比例。為了進行全面比較，我們將τ設置為多個值：{0.1，0.5，1.0，5.0}。

定量結果。在去除帶有錯誤控制信號標簽的樣本后，BDD-X測試集中的所有其他樣本用于控制評估。先前最先進的（SOTA）方法ADAPT和DriveGPT4的定量結果如表5所示。DriveGPT4實現了卓越的控制預測結果。

定性結果

我們進一步提供了多種定性結果，便于直觀比較。首先，BDD-X測試集的兩個示例如圖5所示。然后，為了驗證DriveGPT4的泛化能力，我們將DriveGPT4應用于圖6中零樣本會話生成的NuScenes數據集。最后，我們在視頻游戲上嘗試DriveGPT4，以進一步測試其泛化能力。一個例子如圖7所示。

消融實驗

消融實驗如表6所示：

結論

本文介紹了DriveGPT4，一個使用多模態LLM的可解釋的端到端自動駕駛系統。在ChatGPT的幫助下，開發了一個新的自動駕駛解釋數據集，并用于微調DriveGPT4，使其能夠響應人類對車輛的提問。DriveGPT4利用輸入視頻、文本和歷史控制信號來生成對問題的文本響應，并預測車輛操作的控制信號。它在各種任務中都優于基線模型，如車輛動作描述、動作論證、一般問題分析和控制信號預測。此外，DriveGPT4通過零樣本自適應表現出強大的泛化能力。

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