文献阅读报告 - Social LSTM:Human Trajectory Prediction in Crowded Spaces

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概览

简述

文献所提出的模型旨在解决交通中行人的轨迹预测（pedestrian trajectory prediction）问题，特别是在拥挤环境中——人与人交互（interaction）行为常有发生的地方。

文献构建的数据驱动模型，利用在序列预测上表现突出的LSTM模型以行人为单位进行轨迹预测，同时为了解决多个行人的LSTMs之间无法捕捉行人空间中交互的问题，模型在LSTMs每一步运行之间加入了“Social”池化层，池化层将整合其他行人的隐藏状态（Hidden State），并作为隐藏状态一部分传递下去，最终形成模型Social LSTM。

由于池化层的引入，使得LSTMs间出现动态数据（在模型运行中才能得到）的依赖，模型训练时需要有多个LSTMs同步并行运行和反向传播，为了简化训练压力，文献也提出了O-LSTM模型，该模型可针对每位行人的轨迹进行独立的训练。

最后，文献使用了ETH和UCY两个公开数据库数据，从轨迹平均误差、重点误差和轨迹非线性区间误差三个指标衡量多重模型的预测性能，得出Social-LSTM和O-LSTM性能整体上优于其他模型的结论。

相关研究

前人对交互环境下的轨迹预测已经提出了多种方法，例如以Social Force为基础的将行人行动模型之间刻画吸引力和排斥力的模型，已发展出了相当多的方法，然而文献中提到这些方法大都受限于两个方面：

1. 需要手工构造函数以刻画交互而不是数据驱动，导致模型的环境适应性差，并且只能较好捕捉简单的交互情景。
2. 模型所针对的通常是距离很相近的情景，而没有考虑更远距离可能发生的交互。

数据库

数据源：ETH、UCY

数据格式（经处理和提取以适应此训练任务）

? 元数据标签：time frame（时间片序号）、pedestrian ID（行人标识符）、position x、position y

? 时间精度：time frame之间间隔均为10的倍数，精度为0.4秒

? 位置精度：训练数据中x和y均经过标准化处理，\(0 <= x,y <= 1\) 。源数据中x，y，z精度为米。

横向评估标准

1. Average displacement error：即均方误差（MSE）。\(MSE = \frac{1}{N}{ \sum_{i=1}^n(Y_i - \hat Y_i)^2}\)
2. Final displacement error：终点平方误差。\(DSE = (Y_{T_{pred}} - \hat Y_{T_{pred}})^2\)
3. Average non-linear displacement error：MSE的改良版，误差计算周期不再是整个周期，而是轨迹有明显非线性变化的区域，旨在突出Social LSTM对非线性轨迹预测的效果。非线性区域判断依据是自适应阈值的轨迹二阶导数，但并未在源代码中找到相关实现。

Social LSTM模型简介

LSTM

LSTM模型被证明为解决序列预测问题的有效方式，由一个LSTM Cell经过多次迭代，每步迭代中都会接受输入和产生输出，从而产生序列型输出。有关RNN及LSTM标准模型本文不再详细介绍，此处仅说明实际应用时的要点。

1. 建模方法：一“条”LSTM模型对应一个行人的轨迹序列，所有LSTM模型都共用同一个LSTM Cell。
2. 输入输出：不考虑Minibatch的实际训练方法对数据维度的影响：LSTM Cell每步运行的输入数据格式为“由[x,y]经embedding后得到的向量”；LSTM Cell每步运行的输出数据经线性变换后成为\([ \mu_x, \mu_y, \sigma_x, \sigma_y, \rho ]\)，之所以不是平面二维的2个数据，是由于原文采用了输出数据分布为二维高斯分布的假设，5个数据恰对应高斯分布参数。
3. 池化层引入必要性：由建模方法和输入输出可知，在现有LSTMs模型中的LSTM之间完全独立，运行前中后都没有数据信息的共享，因此无法表现行人间交互信息。为此，Social LSTM在上图所示的\(h_1, h_2, h_3, ..., h_t\)上进行改动以达到每“条”LSTM运行一步后都会进行信息共享，Social LSTM Cell的隐藏状态将由池化层经处理整合后得到。

Social Tensor

Social Tensor是使得每位行人的LSTM模型进行信息交换的途径，实质是一个池化层，每个行人\(i\)在每个时间点\(t\)均对应一个Social Tensor-\(H^i_t\)，用于记录在该行人划定的范围\(Z^i_t\)中，其他行人的信息，并作为行人\(i\)隐藏状态的一部分，参与其下一步轨迹预测从而起到传递行人间交互信息的作用。

量化描述：

Shape : [\(N_0\), \(N_0\), \(D\)]（其中\(N_0\)是\(Z_i\)区域的进一步等距划分，\(D\)是隐藏状态 Hidden State的维度大小）

数据组成：每个\(H^i_t\)均由其他LSTM模型的\(h^i_t\)按一定策略加和。首先，只有处在\(Z^t_i\)区域中的行人的LSTM模型的\(h^i_t\)会被累积；其次，\(Z_t^i\)区域存在进一步分区，对于被累积的\(h^i_t\)，其会被累加至对应的分区上。

\[H_t^i(m,n,:) = \sum_{j \in N_i } 1_{mn}[x_t^j - x_t^i, y_t^j - y_t^i]h_{t-1}^j\]

其中，\(1_{mn}[...]\)是01函数用于判断是否处在区域中，\(h_{t-1}^j\)是隐藏状态，\(N_i\)是相邻行人。

Occupancy Map Pool

Social Tensor池化的简化版，使得模型训练时无需同时处理所有的轨迹，下述公式也可看出Tensor中不再统计隐藏状态的值，而只统计行人数量。

\[ O_t^i(m,n,:) = \sum_{j \in N_i} 1_{mn}[x_t^j - x_t^i, y_t^j - y_t^i]\]

研究拓展方向

1. 拓展模型至多类别道路对象（行人、自行车、滑板等），在Occupancy Map 中有自己的标签。
2. 将场景的静态图片作为Social LSTM模型的额外输入，在描述Person-Person的交互的基础上，描述Person-Space的交互。

文献阅读报告 - Social LSTM:Human Trajectory Prediction in Crowded Spaces

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