在機(jī)器人和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，光學(xué) 3D 距離傳感器已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，比如 RGB-D 攝像頭和 LIDAR 傳感器，都在 3D 環(huán)境繪制和無人駕駛等任務(wù)中扮演了重要角色。
盡管它們性能十分強(qiáng)大，兼具高敏感度、高精度和高可靠性等特質(zhì)，但在識(shí)別透明物體上卻不盡如人意。想要破壞這些傳感器的成像效果，或者讓機(jī)械手臂無從下手，只需要在它們面前放上玻璃杯一類的透明物體就可以了，因此難以在不使用其他傳感器的情況下獨(dú)立完成特定任務(wù)。
這是因?yàn)楣鈱W(xué)傳感器的算法假設(shè)所有表面均是理想散射的 (Lambert)，即物體會(huì)在各個(gè)方向和各個(gè)角度均勻地反射光線。在 Lambert 光照模型中，無論觀察者的視角如何，其表面亮度都是相同的。
現(xiàn)實(shí)中的絕大多數(shù)物體符合這一假設(shè)，除了透明物體，因?yàn)樗鼈兊谋砻婕日凵溆址瓷涔饩€。這樣一來，光線傳播的復(fù)雜性大幅提升，表面亮度與視角無關(guān)的假設(shè)被破壞了，基于 Lambert 模型的算法也就失效了，導(dǎo)致傳感器收集的透明物體的大多數(shù)深度數(shù)據(jù)都是噪聲或者無效的。
圖 | 透明物體在傳統(tǒng)算法眼中是噪聲（來源：谷歌 AI）
為了改善這一問題，讓機(jī)器可以更好地感知透明表面，谷歌 AI，Synthesis AI 和哥倫比亞大學(xué)的研究人員合作開發(fā)了一種名為 ClearGrasp 的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠從 RGB-D 圖像中估算透明物體的準(zhǔn)確 3D 數(shù)據(jù)。
根據(jù)谷歌 AI 介紹，在設(shè)計(jì)之初，ClearGrasp 算法就考慮到了兼容性。它可以與任何標(biāo)準(zhǔn) RGB-D 相機(jī)捕捉的數(shù)據(jù)配合使用，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)來準(zhǔn)確地重建透明物體的景深數(shù)據(jù)。
圖 | ClearGrasp 算法的工作原理（來源：谷歌 AI）
與目前所使用的技術(shù)不同，ClearGrasp 算法不依賴于對(duì)透明物體的先驗(yàn)知識(shí)，比如預(yù)先對(duì)透明物體進(jìn)行 3D 建模，還要補(bǔ)充觀察視角和光線數(shù)據(jù)。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的幫助下，它可以很好地泛化到從未見過的全新物體身上。
在測(cè)試過程中，研究人員將新算法集成到了一套現(xiàn)有的拾取機(jī)器人控制系統(tǒng)中，最終發(fā)現(xiàn)它對(duì)透明塑料物體的抓取成功率有了非常顯著的提升，最多可以提升 6 倍。未來有望在拾取機(jī)器人和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域應(yīng)用。
透明對(duì)象的可視數(shù)據(jù)集
無論是什么樣的深度學(xué)習(xí)模型，訓(xùn)練時(shí)都要依賴于大量數(shù)據(jù)，比如訓(xùn)練自然語(yǔ)言模型 BERT 需要維基百科，ClearGrasp 也不例外。然而目前廣泛使用的 3D 數(shù)據(jù)集，包括 Matterport3D 和 ScanNet，都會(huì)忽略透明表面和物體，因?yàn)闃?biāo)記過程過于復(fù)雜和耗時(shí)。
這讓研究人員不得不自己創(chuàng)建訓(xùn)練集和測(cè)試集，專門針對(duì)透明對(duì)象設(shè)計(jì)。
在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中，他們創(chuàng)造了 5 萬多個(gè)符合真實(shí)物理原則的渲染圖，每張圖片最多包含 5 個(gè)透明物體，放置于平面上或者開放式容器中，視角、背景和光線各不相同。每個(gè)物體還有配套的表面法線（曲率）、分割蒙版、邊緣和深度等信息，用于訓(xùn)練各種 2D 和 3D 物體檢測(cè)任務(wù)。
至于測(cè)試集，研究團(tuán)隊(duì)選擇用真實(shí)場(chǎng)景創(chuàng)建圖片和數(shù)據(jù)，方便最大程度上測(cè)試算法的真實(shí)表現(xiàn)。這是一個(gè)十分痛苦的過程，因?yàn)閷?duì)于每個(gè)場(chǎng)景都要在保證視角、光線和場(chǎng)景布置完全一致的情況下照兩遍：第一遍用透明物體，第二遍用一模一樣的非透明物體替換它們（必須保證位置完全一樣）。
圖 | 布置真實(shí)場(chǎng)景（來源：谷歌 AI）
最終他們得到了 286 個(gè)真實(shí)場(chǎng)景測(cè)試圖，其中不僅包括透明物體本身，還有各種不同的背景貼圖和隨機(jī)不透明物體。圖片中既包含訓(xùn)練集中存在的已知對(duì)象，也包括從未出現(xiàn)過的新物體。
在數(shù)據(jù)集的問題解決之后，下一步是思考如何收集透明物體的深度數(shù)據(jù)。
雖然在透明物體上，RGB-D 經(jīng)典的深度估算方法無法給出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但仍然有一些蛛絲馬跡暗示了物體的形狀。最重要的一點(diǎn)是，透明表面會(huì)出現(xiàn)鏡面反射，在光線充足的環(huán)境中會(huì)顯示成亮點(diǎn)，在 RGB 圖像中非常明顯，而且主要受到物體形狀的影響。
因此，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以利用這些反射數(shù)據(jù)推斷出準(zhǔn)確的表面法線，然后將其用于深度估算。
另一方面，大多數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法都嘗試直接從單眼 RGB 圖像中估計(jì)深度，不過即使對(duì)于人類而言，這也是一個(gè)困難的任務(wù)。尤其在背景表面比較平滑時(shí)，現(xiàn)有算法對(duì)深度的估計(jì)會(huì)出現(xiàn)很大的誤差。這也會(huì)進(jìn)一步加大透明物體深度的估算誤差。
基于此，研究人員認(rèn)為與其直接估算透明物體深度，不如矯正 RGB-D 相機(jī)的初始深度估算數(shù)據(jù)。這樣更容易實(shí)現(xiàn)，還可以通過非透明表面的深度來推算透明表面的深度。
ClearGrasp 算法
ClearGrasp 算法使用了三個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：一個(gè)用于估計(jì)表面法線，一個(gè)用于分析受遮擋邊界（深度不連續(xù)），另一個(gè)給透明對(duì)象罩上蒙版。蒙版負(fù)責(zé)刪除透明對(duì)象的所有像素，以便填充上正確的深度數(shù)據(jù)。
研究人員使用了一種全局優(yōu)化模塊，可以預(yù)測(cè)表面法線并利用其來引導(dǎo)形狀的重建，實(shí)現(xiàn)對(duì)已知表面深度的拓展，還可以利用推算出的遮擋邊界來保持不同物體之間的分離狀態(tài)。
由于研究人員創(chuàng)建的數(shù)據(jù)集存在局限性，比如訓(xùn)練圖片只包含放在地平面上的透明物體，因此初期的ClearGrasp 算法判斷墻壁等其他表面法線的表現(xiàn)很差。為了改善這一問題，他們?cè)诒砻娣ň€估算訓(xùn)練中加入了 Matterport3D 和 ScanNet 數(shù)據(jù)集中的真實(shí)室內(nèi)場(chǎng)景，雖然沒有透明物體，但針對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的訓(xùn)練有效提高了算法估算表面法線的準(zhǔn)確率。
圖 | 三套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各有不同分工（來源：谷歌 AI）
為了系統(tǒng)分析 ClearGrasp 的性能，研究人員分別利用 RGB-D 數(shù)據(jù)和 ClearGrasp 數(shù)據(jù)構(gòu)造了 3D 點(diǎn)云。點(diǎn)云顯示了算法所生成的 3D 表面形狀干凈且連貫，沒有原始單眼深度估算法中常見的鋸齒狀噪聲，而且還可以分辨復(fù)雜圖案背景下的透明物體，以及區(qū)分相互遮擋的透明物體。
最重要的是，ClearGrasp 輸出深度數(shù)據(jù)可以直接控制依賴于 RGB-D 圖像的機(jī)械臂。
研究人員使用了 UR5 工業(yè)機(jī)械臂進(jìn)行測(cè)試，將其原始傳感器數(shù)據(jù)替換成 ClearGrasp 輸出深度數(shù)據(jù)后，它的透明物體抓取成功率得到了顯著改善：平行夾爪的成功率從 12% 大幅提升到 74%，吸爪的成功率從 64% 提升到 86%。
圖 | UR5 機(jī)械臂拾取透明物體（來源：谷歌 AI）
雖然分辨透明物體的準(zhǔn)確率已經(jīng)有了大幅提升，但新算法仍然有很大的進(jìn)步空間。
研究人員認(rèn)為，受到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和傳統(tǒng)路徑跟蹤及渲染算法的局限性影響，ClearGrasp 仍然不能準(zhǔn)確分辨散焦線，經(jīng)常會(huì)把明亮的散焦線和物體陰影混淆為獨(dú)立的透明物體。這將是未來的重要研究方向之一。
研究人員相信，這項(xiàng)研究成果證明了，基于深度學(xué)習(xí)的深度數(shù)據(jù)重建方法足以勝過傳統(tǒng)方法，使機(jī)器能夠更好地感知透明表面，不僅有望提高 LIDAR 無人駕駛等技術(shù)的安全性，而且還可以在多變的應(yīng)用場(chǎng)景中開啟新的交互方式，讓分類機(jī)器人或者室內(nèi)導(dǎo)航等技術(shù)更加高效和可靠。
