機(jī)器之心專欄

機(jī)器之心編輯部

(資料圖片)

如今，計(jì)算機(jī)視覺社區(qū)已經(jīng)廣泛展開了對(duì)物體姿態(tài)的 6D 追蹤和 3D 重建。本文中英偉達(dá)提出了同時(shí)對(duì)未知物體進(jìn)行 6D 追蹤和 3D 重建的方法。該方法假設(shè)物體是剛體，并且需要視頻的第一幀中的 2D 物體掩碼。

除了這兩個(gè)要求之外，物體可以在整個(gè)視頻中自由移動(dòng)，甚至經(jīng)歷嚴(yán)重的遮擋。英偉達(dá)的方法在目標(biāo)上與物體級(jí) SLAM 的先前工作類似，但放松了許多常見的假設(shè)，從而能夠處理遮擋、反射、缺乏視覺紋理和幾何線索以及突然的物體運(yùn)動(dòng)。

英偉達(dá)方法的關(guān)鍵在于在線姿態(tài)圖優(yōu)化過程，同時(shí)進(jìn)行神經(jīng)重建過程和一個(gè)內(nèi)存池以促進(jìn)兩個(gè)過程之間的通信。相關(guān)論文已被 CVPR 2023 會(huì)議接收。

項(xiàng)目主頁：https://bundlesdf.github.io/

項(xiàng)目代碼：https://github.com/NVlabs/BundleSDF

本文的貢獻(xiàn)可以總結(jié)如下：

一種用于新穎未知?jiǎng)討B(tài)物體的因果 6 自由度姿態(tài)跟蹤和 3D 重建的新方法。該方法利用了并發(fā)跟蹤和神經(jīng)重建過程的新穎共同設(shè)計(jì)，能夠在幾乎實(shí)時(shí)的在線環(huán)境中運(yùn)行，同時(shí)大大減少了跟蹤漂移。

引入了混合 SDF 表示來處理動(dòng)態(tài)物體為中心的環(huán)境中由于噪聲分割和交互引起的不確定自由空間的挑戰(zhàn)。

在三個(gè)公共基準(zhǔn)測(cè)試中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)顯示了本文方法與主流方法的最先進(jìn)性能。

英偉達(dá)方法的魯棒性在下圖 1 中得到了突出顯示。

此前的 6D 物體姿態(tài)估計(jì)旨在推斷出目標(biāo)物體在相機(jī)幀中的三維平移和三維旋轉(zhuǎn)。最先進(jìn)的方法通常需要實(shí)例或類別級(jí)別的物體 CAD 模型進(jìn)行離線訓(xùn)練或在線模板匹配，這限制了它們?cè)谛路f未知物體上的應(yīng)用。盡管最近有幾項(xiàng)研究工作放寬了假設(shè)并旨在快速推廣到新穎未見的物體，但它們?nèi)匀恍枰A(yù)先捕獲測(cè)試物體的姿態(tài)參考視圖，而英偉達(dá)的設(shè)定中并不假設(shè)這一點(diǎn)。

除了單幀姿態(tài)估計(jì)之外，6D 物體姿態(tài)跟蹤利用時(shí)間信息在整個(gè)視頻中估計(jì)每幀物體姿態(tài)。與單幀姿態(tài)估計(jì)方法類似，這些方法在不同的假設(shè)條件上進(jìn)行，例如訓(xùn)練和測(cè)試使用相同的物體，或者在相同類別的物體上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。

然而，與所有以往工作不同的是，英偉達(dá)的追蹤和重建協(xié)同設(shè)計(jì)采用了一種新穎的神經(jīng)表示，不僅在實(shí)驗(yàn)證實(shí)中實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)大的跟蹤能力，還能夠輸出額外的形狀信息。

此外，雖然 SLAM（同時(shí)定位與地圖構(gòu)建）方法解決的是與本研究類似的問題，但其專注于跟蹤相機(jī)相對(duì)于大型靜態(tài)環(huán)境的姿態(tài)。動(dòng)態(tài) SLAM 方法通常通過幀 - 模型迭代最近點(diǎn)（ICP）與顏色相結(jié)合、概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)或三維水平集似然最大化來跟蹤動(dòng)態(tài)物體。模型通過將觀察到的 RGBD 數(shù)據(jù)與新跟蹤的姿態(tài)聚合實(shí)時(shí)重建。

相比之下，英偉達(dá)的方法利用一種新穎的神經(jīng)對(duì)象場(chǎng)表示，允許自動(dòng)融合，同時(shí)動(dòng)態(tài)矯正歷史跟蹤的姿態(tài)以保持多視角一致性。英偉達(dá)專注于物體為中心的場(chǎng)景，包括動(dòng)態(tài)情景，其中常常缺乏紋理或幾何線索，并且交互主體經(jīng)常引入嚴(yán)重遮擋，這些是在傳統(tǒng) SLAM 中很少發(fā)生的困難。與物體級(jí) SLAM 研究中研究的靜態(tài)場(chǎng)景相比，動(dòng)態(tài)交互還允許觀察物體的不同面以進(jìn)行更完整的三維重建。

方法概覽

英偉達(dá)方法的概述如下圖所示。給定單目 RGBD 輸入視頻以及僅在第一幀中感興趣物體的分割掩碼，該方法通過后續(xù)幀跟蹤物體的 6D 姿態(tài)并重建物體的紋理 3D 模型。所有處理都是因果的（無法訪問未來幀的信息）。英偉達(dá)假設(shè)物體是剛體，但適用于無紋理的物體。

此外不需要物體的實(shí)例級(jí) CAD 模型，也不需要物體的類別級(jí)先驗(yàn)知識(shí)（例如事先在相同的物體類別上訓(xùn)練）。

然后，這些更新的姿態(tài)被存儲(chǔ)回內(nèi)存池中。最后，內(nèi)存池中的所有具有姿態(tài)的幀用于學(xué)習(xí)基于 SDF 表示的神經(jīng)物體場(chǎng)（在單獨(dú)并行的線程中），該對(duì)象場(chǎng)建模物體的幾何和視覺紋理（第 3.4 節(jié)），同時(shí)調(diào)整它們先前估計(jì)的姿態(tài)，以魯棒化 6D 物體姿態(tài)跟蹤。

在這項(xiàng)工作中，一個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)在于交互者引入的嚴(yán)重遮擋，導(dǎo)致了多視幾何不再一致。并且完美的物體分割掩碼通常無法得到。為此，英偉達(dá)進(jìn)行了獨(dú)特的建模以增加魯棒性。

下面左圖：使用視頻分割網(wǎng)絡(luò)（第 3.1 節(jié)）預(yù)測(cè)的二值掩碼進(jìn)行高效的射線追蹤的 Octree 體素表示，該物體分割掩碼由于來自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)難免存在錯(cuò)誤。射線可以落在掩碼內(nèi)部（顯示為紅色）或外部（黃色）。右圖：神經(jīng)體積的 2D 俯視示意圖，以及沿著射線進(jìn)行的混合 SDF 建模的點(diǎn)采樣。藍(lán)色樣本接近表面。

數(shù)據(jù)集：英偉達(dá)考慮了三個(gè)具有截然不同的交互形式和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的真實(shí)世界數(shù)據(jù)集。有關(guān)野外應(yīng)用和靜態(tài)場(chǎng)景的結(jié)果，請(qǐng)參閱項(xiàng)目頁面。

HO3D：該數(shù)據(jù)集包含了人手與 YCB 物體交互的 RGBD 視頻，由近距離捕捉的 Intel RealSense 相機(jī)進(jìn)行拍攝。

YCBInEOAT：該數(shù)據(jù)集包含了雙臂機(jī)器人操作 YCB 物體的第一視角的 RGBD 視頻，由中距離捕捉的 Azure Kinect 相機(jī)進(jìn)行拍攝。操作類型包括：（1）單臂拾取和放置，（2）手內(nèi)操作，以及（3）雙臂之間的拾取和交接。

BEHAVE：該數(shù)據(jù)集包含人體與物體交互的 RGBD 視頻，由 Azure Kinect 相機(jī)的預(yù)校準(zhǔn)多視圖系統(tǒng)遠(yuǎn)距離捕捉。然而，我們將評(píng)估限制在單視圖設(shè)置下，該設(shè)置經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重遮擋。

評(píng)估指標(biāo)：英偉達(dá)分別評(píng)估姿態(tài)估計(jì)和形狀重建。對(duì)于 6D 物體姿態(tài)，他們使用物體幾何來計(jì)算 ADD 和 ADD-S 指標(biāo)的曲線下面積（AUC）百分比。對(duì)于 3D 形狀重建，英偉達(dá)計(jì)算最終重建網(wǎng)格與地面真實(shí)網(wǎng)格之間在每個(gè)視頻的第一幀定義的規(guī)范坐標(biāo)系中的 Chamfer 距離。

對(duì)比方法：英偉達(dá)使用官方的開源實(shí)現(xiàn)和最佳調(diào)整參數(shù)與 DROID-SLAM ( RGBD ) [ 61 ] 、NICE-SLAM [ 85 ] 、KinectFusion [ 43 ] 、BundleTrack [ 69 ] 和 SDF-2-SDF [ 53 ] 進(jìn)行比較。此外還包括它們?cè)谂判邪裆系幕鶞?zhǔn)結(jié)果。

該論文來自于英偉達(dá)研究院。其中論文一作是華人溫伯文，博士畢業(yè)于羅格斯大學(xué)計(jì)算機(jī)系。曾在谷歌 X，F(xiàn)acebook Reality Labs, 亞馬遜和商湯實(shí)習(xí)。研究方向?yàn)闄C(jī)器人感知和 3D 視覺。

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