EmbodiedScan: 面向具身人工智能的全面多模态3D感知套件

EmbodiedScan:面向具身人工智能的全面多模态3D感知套件

在计算机视觉和机器人领域,具身代理被期望能够探索环境并执行人类指令。这就需要它们能够充分理解基于第一人称观察的3D场景,并将其转化为语言进行交互。然而,传统研究更多关注于从全局视角进行场景级输入和输出的设置。为了弥补这一差距,研究人员推出了EmbodiedScan,这是一个多模态、以自我为中心的3D感知数据集和基准测试,用于全面的3D场景理解。

EmbodiedScan数据集概览

EmbodiedScan包含了超过5000次扫描,涵盖了100万个以自我为中心的RGB-D视图、100万个语言提示、16万个跨越760多个类别的3D定向框(部分与LVIS对齐),以及80个常见类别的密集语义占用。这个庞大而丰富的数据集为研究人员提供了前所未有的资源,以开发和测试先进的3D感知算法。

如上图所示,EmbodiedScan提供了多样化的室内场景数据,包括不同房间类型和视角的图像。这些数据不仅包括视觉信息,还包括深度信息和语言描述,为全面的场景理解提供了基础。

Embodied Perceptron:基线框架

基于EmbodiedScan数据集,研究人员还提出了一个名为Embodied Perceptron的基线框架。这个框架能够处理任意数量的多模态输入,展示了出色的3D感知能力。

如上图所示,Embodied Perceptron接受任意数量视图的RGB-D序列和文本作为多模态输入。它使用经典编码器为每种模态提取特征,并采用密集和同构稀疏融合与相应的解码器进行不同的预测。集成了文本特征的3D特征可以进一步用于语言引导的理解。

这个框架在两系列基准测试中都表现出色:

1. 基础3D感知任务
2. 语言引导任务

更令人兴奋的是,Embodied Perceptron在现实世界中也展现了卓越的性能,即使在不同的RGB-D传感器和环境中也能很好地工作。

主要贡献与创新

1. 大规模多模态数据集: EmbodiedScan是目前最大规模的多模态3D感知数据集之一,为研究人员提供了宝贵的资源。

2. 自我为中心的视角: 与传统的全局视角不同,EmbodiedScan采用自我为中心的视角,更贴近实际机器人和AI代理的感知方式。

3. 语言引导的场景理解: 通过引入大量语言提示,EmbodiedScan为语言引导的3D场景理解开辟了新的研究方向。

4. 全面的任务设置: 从基础的3D感知到高级的语言引导任务,EmbodiedScan提供了一系列具有挑战性的任务设置。

5. Embodied Perceptron框架: 这个基线框架展示了处理多模态输入的能力,为未来的研究提供了良好的起点。

技术细节与实现

EmbodiedScan的实现涉及多个技术方面:

1. 数据收集与处理:

   • 使用了ScanNet v2、3RScan和Matterport3D等多个数据源
   • 开发了专门的工具来提取和处理图像、深度信息等

2. 注释生成:

   • 使用SAM(Segment Anything Model)辅助生成高质量的3D注释
   • 开发了半自动化的流程来生成语言提示和语义标签

3. 框架实现:

   • Embodied Perceptron基于PyTorch实现
   • 使用了多种先进的神经网络架构,如Transformer和PointNet++

4. 评估指标:

   • 开发了一系列评估指标来衡量3D检测、语义分割和语言引导任务的性能

未来研究方向

EmbodiedScan为3D场景理解和具身AI开辟了多个promising的研究方向:

1. 多模态融合: 如何更有效地融合视觉、深度和语言信息仍是一个开放问题。

2. 迁移学习: 研究如何将在EmbodiedScan上训练的模型迁移到新的环境和任务中。

3. 实时性能: 提高模型的推理速度,使其能在实时系统中应用。

4. 交互式学习: 探索如何让AI代理通过与环境交互来持续学习和改进。

5. 跨语言理解: 扩展当前的英语提示到多语言设置,增强模型的语言理解能力。

结论

EmbodiedScan及其配套的Embodied Perceptron框架代表了3D场景理解和具身AI研究的重要进展。通过提供丰富的多模态数据和全面的评估基准,它为研究人员提供了宝贵的资源,以推动这一领域的发展。随着更多研究者参与并基于这一平台开展工作,我们有理由期待在不久的将来,具身AI将在更复杂的实际环境中展现出令人惊叹的能力。