使用面向目標(biāo)的語義探索進(jìn)行對(duì)象目標(biāo)導(dǎo)航

對(duì)于在不可見的環(huán)境中導(dǎo)航到給定對(duì)象類別的任務(wù)，使用基于端到端學(xué)習(xí)的導(dǎo)航方法是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Devendra Singh Chaplot、Ruslan Salakhutdinov，來自Facebook人工智能研究實(shí)驗(yàn)室的Dhiraj Gandhi，以及卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所副教授兼Facebook人工智能研究實(shí)驗(yàn)室科研管理Abhinav Gupta提出了“面向目標(biāo)的語義探索”模塊系統(tǒng)。該模型在CVPR 2020 Habitat ObjectNav挑戰(zhàn)賽上獲得了優(yōu)勝。

本研究探索了對(duì)象目標(biāo)導(dǎo)航的問題，該問題涉及在不可見的環(huán)境中導(dǎo)航到給定對(duì)象類別實(shí)例?；诙说蕉藢W(xué)習(xí)的導(dǎo)航方法在這個(gè)任務(wù)上很困難，因?yàn)樗鼈冊(cè)谔剿骱烷L(zhǎng)期規(guī)劃方面效率低下。我們提出了一個(gè)模塊系統(tǒng)，稱為“面向目標(biāo)的語義探索”，它構(gòu)建了一個(gè)情景語義地圖，并根據(jù)目標(biāo)對(duì)象類別使用它來有效地探索環(huán)境。在視覺上逼真的仿真環(huán)境中的實(shí)證結(jié)果顯示，所提出的模型性能優(yōu)于許多不同的本研究探索了對(duì)象目標(biāo)導(dǎo)航的問題，該問題涉及在不可見的環(huán)境中導(dǎo)航到給定對(duì)象類別實(shí)例。基于端到端學(xué)習(xí)的導(dǎo)航方法在這個(gè)任務(wù)上很困難，因?yàn)樗鼈冊(cè)谔剿骱烷L(zhǎng)期規(guī)劃方面效率低下。我們提出了一個(gè)模塊系統(tǒng)，稱為“面向目標(biāo)的語義探索”，它構(gòu)建了一個(gè)情景語義地圖，并根據(jù)目標(biāo)對(duì)象類別使用它來有效地探索環(huán)境。在視覺上逼真的仿真環(huán)境中的實(shí)證結(jié)果顯示，所提出的模型性能優(yōu)于許多不同的基線，包括基于端到端學(xué)習(xí)的方法以及基于模塊化地圖的方法。消融分析表明，該模型學(xué)習(xí)了場(chǎng)景中對(duì)象相對(duì)排列的語義先驗(yàn)，并使用它們進(jìn)行了有效的探索。與領(lǐng)域無關(guān)的（domain-agnostic）模塊設(shè)計(jì)使我們能夠?qū)⒃撃Ｐ瓦w移到移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上，并在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)類似的目標(biāo)導(dǎo)航性能。

引言

自主導(dǎo)航是構(gòu)建能夠體現(xiàn)智能體智能性的核心要求。假設(shè)一個(gè)自主智能體被要求在不可見環(huán)境中導(dǎo)航到“餐桌”（如圖1所示）。在語義理解方面，該任務(wù)不僅涉及到對(duì)象檢測(cè)，即“餐桌”是什么樣子的，而且涉及到場(chǎng)景理解，即“餐桌”在哪里更容易被找到。后者需要長(zhǎng)期的情景記憶，也需要學(xué)習(xí)場(chǎng)景中對(duì)象相對(duì)排列的語義先驗(yàn)（semantic prior）。長(zhǎng)期的情景記憶使智能體能夠記錄已探索和未探索的區(qū)域。學(xué)習(xí)語義先驗(yàn)使智能體能夠使用情景記憶來決定下一步要探索哪個(gè)區(qū)域，以便在最短的時(shí)間內(nèi)找到目標(biāo)對(duì)象。

我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算模型來建立情景記憶，并基于語義先驗(yàn)有效地使用它，以便在不可見的環(huán)境中高效地導(dǎo)航。一種流行的方法是通過循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用端到端強(qiáng)化或模仿學(xué)習(xí)來建立情景記憶，并隱性地學(xué)習(xí)語義先驗(yàn)[1，2，3，4]。然而，基于端到端學(xué)習(xí)的方法存在樣本復(fù)雜度大、泛化能力差的問題，因?yàn)樗鼈儠?huì)記憶對(duì)象在訓(xùn)練環(huán)境中的位置和外觀。

最近，《學(xué)習(xí)探索使用主動(dòng)神經(jīng)SLAM》[5]中推出了一個(gè)基于模塊化學(xué)習(xí)的系統(tǒng)，稱為“主動(dòng)神經(jīng)SLAM”（Active Neural SLAM），該系統(tǒng)可以構(gòu)建顯性的障礙地圖來維持情景記憶。顯性地圖還使分析路徑規(guī)劃成為可能，從而大大提高了探索和樣本的復(fù)雜性。然而，旨在使探索覆蓋面最大化的主動(dòng)神經(jīng)SLAM并沒有在情景記憶中進(jìn)行語義編碼，因此也沒有學(xué)習(xí)語義先驗(yàn)。在本文中，我們擴(kuò)展了主動(dòng)神經(jīng)SLAM系統(tǒng)，以構(gòu)建顯性的語義地圖，并使用語義感知的長(zhǎng)期策略學(xué)習(xí)語義先驗(yàn)。

我們所提出的方法稱為“面向目標(biāo)的語義探索”（Goal-Oriented Semantic Exploration，SemExp）。與《學(xué)習(xí)探索使用主動(dòng)神經(jīng)SLAM》[5]相比，該方法進(jìn)行了兩個(gè)改進(jìn)，以處理語義導(dǎo)航任務(wù)。首先，它構(gòu)建了類似于《學(xué)習(xí)探索使用主動(dòng)神經(jīng)SLAM》[5]中自頂向下的度量映射，但是添加了額外的通道來顯性地對(duì)語義類別進(jìn)行編碼。我們沒有像該研究[5]中那樣直接從第一人稱圖像（first-person image）預(yù)測(cè)自頂向下的映射，而是使用第一人稱預(yù)測(cè)，然后進(jìn)行可區(qū)分的幾何投影。這使我們能夠利用現(xiàn)有的經(jīng)過預(yù)訓(xùn)練的對(duì)象檢測(cè)和語義分割模型來構(gòu)建語義地圖，而不是從頭開始學(xué)習(xí)。其次，我們沒有使用僅基于障礙地圖的覆蓋面最大、目標(biāo)不確定的探索策略，而是訓(xùn)練了一個(gè)面向目標(biāo)的語義探索策略，該策略可以學(xué)習(xí)語義先驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)高效的導(dǎo)航。這些改進(jìn)使我們能夠處理具有挑戰(zhàn)性的對(duì)象目標(biāo)導(dǎo)航任務(wù)。我們?cè)谝曈X上逼真的仿真環(huán)境中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，SemExp的性能顯著優(yōu)于先前的方法。我們所提出的模型還贏得了CVPR 2020 Habitat ObjectNav挑戰(zhàn)賽3。

相關(guān)研究

下面我們將簡(jiǎn)要討論語義地圖和導(dǎo)航的相關(guān)研究。

語義地圖。有大量研究使用來自運(yùn)動(dòng)和即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）的結(jié)構(gòu)來構(gòu)建2D和3D的障礙地圖[6，7，8]。我們請(qǐng)感興趣的讀者參閱Fuentes-Pacheco等人[9]關(guān)于SLAM的調(diào)查。一些更相關(guān)的研究使用概率圖模型（probabilistic graphical model）[10]或使用最近的基于學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)視覺模型[11，12]在地圖中加入語義。與這些研究不同的是，我們使用可區(qū)分的投影操作來學(xué)習(xí)地圖空間中帶有監(jiān)督的語義地圖。這限制了由于第一人稱語義預(yù)測(cè)的小誤差而造成的地圖中的大誤差。

導(dǎo)航。經(jīng)典的導(dǎo)航方法使用顯性的幾何地圖通過路徑規(guī)劃來計(jì)算到達(dá)目標(biāo)位置的路徑[13，14，15，16]。目標(biāo)的選擇是基于啟發(fā)式方法的，如基于前沿的探索算法（Frontier-based Exploration algorithm）[17]。與此不同，我們使用基于學(xué)習(xí)的策略，根據(jù)對(duì)象目標(biāo)類別，使用語義先驗(yàn)選擇探索目標(biāo)。

最近的基于學(xué)習(xí)的方法使用端到端強(qiáng)化或模仿學(xué)習(xí)來訓(xùn)練導(dǎo)航策略。這些方法包括使用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[1，18，19，20，21，22，23，24]、結(jié)構(gòu)化空間表征[2，25，26，27，28]和拓?fù)浔碚鱗29，30]。最近處理對(duì)象目標(biāo)導(dǎo)航的研究包括[31，32，33，4]。Wu等人[31] 試圖通過在語義信息（如房間類型）上構(gòu)建概率圖模型來探索環(huán)境之間結(jié)構(gòu)的相似性。類似地，Yang等人[32]提出使用圖卷積網(wǎng)絡(luò)（Graph Convolutional Network）將語義先驗(yàn)加入深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架。Wortsman等人[33]提出了一種元強(qiáng)化學(xué)習(xí)（meta-reinforcement learning）方法，在這種方法中，智能體學(xué)習(xí)自監(jiān)督的交互損失（self-supervised interaction loss），從而鼓勵(lì)有效的導(dǎo)航，甚至在測(cè)試環(huán)境中持續(xù)學(xué)習(xí)。Mousavian等人[4]使用在輸入觀測(cè)上運(yùn)行先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺算法所獲得的語義分割和檢測(cè)掩膜，并使用深度網(wǎng)絡(luò)在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)導(dǎo)航策略。在上述方法中，學(xué)習(xí)的表征都是隱性的，而且模型需要從目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的獎(jiǎng)勵(lì)中隱性地學(xué)習(xí)避障、情景記憶、規(guī)劃和語義先驗(yàn)。對(duì)于不同的導(dǎo)航任務(wù)，顯性地圖表征已經(jīng)被證明比基于端到端學(xué)習(xí)的方法提高了性能和樣本效率[5，34]，然而它們是隱性地學(xué)習(xí)語義的。在本研究中，我們使用顯性的結(jié)構(gòu)化語義地圖表征，這使我們能夠?qū)W習(xí)語義感知的探索策略并處理對(duì)象目標(biāo)導(dǎo)航任務(wù)。同時(shí)進(jìn)行的研究考察在學(xué)習(xí)探索策略中使用類似的語義地圖來改進(jìn)對(duì)象檢測(cè)系統(tǒng)[35]。

方法論

對(duì)象目標(biāo)任務(wù)的定義。在對(duì)象目標(biāo)任務(wù)[20，36]中，目標(biāo)是導(dǎo)航到給定對(duì)象類別的實(shí)例，如“椅子”或“床”。智能體在環(huán)境中的一個(gè)隨機(jī)位置進(jìn)行初始化，并接收目標(biāo)對(duì)象類別作為輸入。在每個(gè)時(shí)間步驟，智能體接收視覺觀測(cè)和傳感器姿態(tài)讀數(shù)，并采取導(dǎo)航操作。該視覺觀測(cè)由第一人稱和深度圖像組成。動(dòng)作空間由四個(gè)動(dòng)作組成：向前移動(dòng)、向左轉(zhuǎn)、向右轉(zhuǎn)、停止。當(dāng)智能體認(rèn)為它已經(jīng)接近目標(biāo)對(duì)象時(shí)，它需要執(zhí)行“停止”動(dòng)作。如果到目標(biāo)對(duì)象的距離小于某個(gè)閾值，，當(dāng)智能體執(zhí)行“停止”動(dòng)作時(shí)，那么該情景被認(rèn)為是成功的。在固定的最大時(shí)間步值（=500）之后，該情景終止。

概述。我們提出了一個(gè)模塊化模型，稱為“面向目標(biāo)的語義探索”（Goal-Oriented Semantic Exploration，SemExp），以處理對(duì)象目標(biāo)導(dǎo)航任務(wù)（概覽如圖2所示）。它由兩個(gè)可學(xué)習(xí)的模塊組成，即“語義映射”（Semantic Mapping）和“面向目標(biāo)的語義策略”（Goal-Oriented Semantic Policy）。語義映射模塊隨著時(shí)間推移構(gòu)建語義地圖;面向目標(biāo)的語義策略根據(jù)語義地圖選擇長(zhǎng)期目標(biāo)，以高效地達(dá)到給定的對(duì)象目標(biāo)?；诜治鲆?guī)劃器（analytical planner）的確定性局部策略被用于執(zhí)行低層次導(dǎo)航動(dòng)作，以達(dá)到長(zhǎng)期目標(biāo)。我們首先對(duì)我們的模型所使用的語義地圖表征進(jìn)行描述，然后對(duì)各模塊進(jìn)行描述。

語義地圖表征。SemExp模型在內(nèi)部維持了語義度量映射和智能體的位姿?？臻g地圖是一個(gè)矩陣，其中表示地圖的大小，該空間地圖中的每個(gè)元素對(duì)應(yīng)物理世界中大小為25cm2 （5cm×5cm）的單元。為語義地圖中的通道數(shù)，其中為語義類別的總數(shù)。前兩個(gè)通道代表障礙和探索區(qū)域，其余通道分別代表一個(gè)對(duì)象類別。通道中的每個(gè)元素都代表對(duì)應(yīng)的位置是障礙、已探索或者包含對(duì)應(yīng)類別的對(duì)象。在一個(gè)情景開始時(shí)，地圖被初始化為所有都是0，。姿態(tài) 表示該智能體在時(shí)刻的x、y坐標(biāo)和方向。該智能體總是從地圖的中心開始，在情景開始時(shí)朝向東，。

語義映射。為了構(gòu)建語義地圖，我們需要對(duì)在視覺觀測(cè)中看到的對(duì)象的語義類別和分割進(jìn)行預(yù)測(cè)。最好使用現(xiàn)有的對(duì)象檢測(cè)和語義分割模型，而不是從頭開始學(xué)習(xí)。主動(dòng)神經(jīng)SLAM（Active Neural SLAM）模型直接從的觀測(cè)預(yù)測(cè)自頂向下的映射，因此，該模型沒有任何機(jī)制來整合預(yù)訓(xùn)練的對(duì)象檢測(cè)或語義分割系統(tǒng)。相反，我們?cè)诘谝蝗朔Q視角中預(yù)測(cè)語義分割，并使用可區(qū)分的投影將第一人稱預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)換為自頂向下的映射。這使我們能夠使用現(xiàn)有的預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行第一人稱語義分割。然而，第一人稱語義分割中的小誤差會(huì)導(dǎo)致投影后的地圖出現(xiàn)大誤差。我們通過在第一人稱空間之外增加地圖空間的損失來克服這一限制。

圖3是語義映射模塊的概覽。深度觀測(cè)被用于計(jì)算點(diǎn)云。點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)都與預(yù)測(cè)的語義類別相關(guān)聯(lián)。使用預(yù)訓(xùn)練的Mask RCNN[37]在觀測(cè)上對(duì)語義類別進(jìn)行預(yù)測(cè)。然后使用可區(qū)分的幾何計(jì)算將點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)投影到3D空間中，以獲得體素表征。再將體素表征轉(zhuǎn)換為語義地圖。將所有障礙、所有單元和每個(gè)類別的體素表征的高度維度相加，得到投影語義地圖的不同通道。然后使該投影語義地圖通過去噪神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到最終的語義地圖預(yù)測(cè)。如《學(xué)習(xí)探索使用主動(dòng)神經(jīng)SLAM》[5]所述，該地圖使用空間轉(zhuǎn)換（spatial transformation）和通道智慧池化（channel-wise pooling）的方法隨著時(shí)間聚合。在語義分割和語義地圖預(yù)測(cè)上，使用帶有交叉熵?fù)p失（crossentropy loss）的有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練該語義映射模塊。該幾何投影是使用可區(qū)分的操作實(shí)現(xiàn)的，這樣一來，如果需要的話，在語義地圖預(yù)測(cè)上的損失可以反向傳播到整個(gè)模塊。

面向目標(biāo)的語義策略。面向目標(biāo)的語義策略根據(jù)當(dāng)前語義地圖確定一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，以達(dá)到給定的對(duì)象目標(biāo)。如果類別對(duì)應(yīng)的通道有一個(gè)非零元素，即觀測(cè)到對(duì)象目標(biāo)，那么簡(jiǎn)單地選擇所有非零元素作為長(zhǎng)期目標(biāo)。如果對(duì)象目標(biāo)沒有被觀測(cè)到，那么面向目標(biāo)的語義策略需要選擇一個(gè)最有可能被找到的目標(biāo)類別對(duì)象作為長(zhǎng)期目標(biāo)。這需要學(xué)習(xí)對(duì)象和區(qū)域的相對(duì)排列的語義先驗(yàn)。我們使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來學(xué)習(xí)這些語義先驗(yàn)。它將語義地圖、智能體當(dāng)前和過去的位置以及對(duì)象目標(biāo)作為輸入，并在自頂向下的地圖空間中預(yù)測(cè)長(zhǎng)期目標(biāo)。

基于目標(biāo)的語義策略使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行訓(xùn)練，并以距離縮短到最近的目標(biāo)對(duì)象作為獎(jiǎng)勵(lì)。我們?cè)谝粋€(gè)粗略的時(shí)間尺度上對(duì)長(zhǎng)期目標(biāo)采樣，每u=25步采樣一次，類似于《學(xué)習(xí)探索使用主動(dòng)神經(jīng)SLAM》[5]中目標(biāo)不確定的全局策略。這就將RL探索的時(shí)間范圍指數(shù)化地減少，從而減少了樣本的復(fù)雜度。

確定性局部策略。局部策略使用快速行進(jìn)方法（Fast Marching Method）[16]，根據(jù)語義地圖的障礙通道，從當(dāng)前位置規(guī)劃出一條通往長(zhǎng)期目標(biāo)的路徑。它只是沿著通往路徑采取確定性的動(dòng)作以達(dá)到長(zhǎng)期目標(biāo)。我們使用了確定性的局部策略與《學(xué)習(xí)探索使用主動(dòng)神經(jīng)SLAM》[5]中經(jīng)過訓(xùn)練的局部策略作比較，因?yàn)樗鼈冊(cè)谖覀兊膶?shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了類似的性能。請(qǐng)注意，盡管上述語義策略在粗略的時(shí)間尺度內(nèi)起作用，但局部策略在細(xì)小的時(shí)間尺度內(nèi)起作用。在每一個(gè)時(shí)間步中，我們都會(huì)更新地圖并重新規(guī)劃通往長(zhǎng)期目標(biāo)的路徑。

結(jié)論

在本文中，我們提出了一種基于語義感知的探索模型來處理大型現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的對(duì)象目標(biāo)導(dǎo)航任務(wù)。該模型與先前的方法相比有兩個(gè)主要的改進(jìn)：一是將語義加入顯性的情景記憶;二是學(xué)習(xí)面向目標(biāo)的語義探索策略。我們的方法在對(duì)象目標(biāo)導(dǎo)航任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了杰出的性能，并在CVPR 2020 Habitat ObjectNav挑戰(zhàn)賽上獲勝。消融研究表明，該模型可以學(xué)習(xí)語義先驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)航。與領(lǐng)域無關(guān)的模塊設(shè)計(jì)讓我們成功地將該模型遷移到現(xiàn)實(shí)世界中。我們還分析了該模型的誤差模式，并在未來的研究中沿著兩個(gè)重要的維度（語義映射和面向目標(biāo)的探索）量化改進(jìn)的空間。該模型還可以被擴(kuò)展以處理一系列的對(duì)象目標(biāo)，通過利用情景地圖為后續(xù)目標(biāo)進(jìn)行更高效的導(dǎo)航。

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