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 想讓機器人像人一樣思考，似乎一直是個難題。

例如，讓機器人去拿放在「植物」旁邊的遙控器，機器人幾乎立即檢測出了「植物」盆栽所在的位置，從而檢測到遙控器的存在。

項目已被ECCV 2020收錄，并獲得了居住地目標導航挑戰賽的第一名。

一起來看看實現的過程。

讓機器人「學點常識」

事實上，以往大部分采用機器學習訓練的語義導航機器人，找東西的效果都不太好。

相比于人類潛意識中形成的常識，機器人往往有點“死腦筋”，它們更傾向于去記住目標物體的位置。

但物體所處的場景往往非常復雜，而且彼此間差異很大（正所謂每個人的家，亂得各有章法），如果單純以大量不同場景對系統進行訓練，模型泛化能力都不太好。

于是，相比于用更多的樣本對系統進行訓練，這次研究者們換了一種思路：

采用半監督學習的方式，使用一種名為semantic curiosity（語義好奇心）的獎勵機制對系統進行訓練。

訓練的核心目的，是讓系統基于對語義的「理解」來確定目標物體的最優位置，換而言之，就是讓機器人“學點常識”。

舉個例子，通過理解冰箱和洗手間的差異，機器人就能搞懂目標物體和房間布局的關系，并計算出最容易找到某個物體的房間。（就像沙發通常會在客廳、而不是在洗手間）

一旦確定了物體最可能出現的地方，機器人就能通過導航，直接去往預計的位置，并快速檢測到目標物體的存在，這個過程被稱之為探索策略（exploration policy）。

采用Mask RCNN訓練探索策略

如下圖所示，策略的實現被分成了三步：學習、訓練、測試。

首先，采用Mask RCNN對圖像從上至下進行目標預測，用于訓練探索策略，后者負責生成目標檢測和場景分割所需的訓練數據。

對訓練數據進行標記后，數據會被用于微調和評估目標檢測及場景分割的效果。

在目標檢測的過程中，即使面對某一物體的鏡頭轉360度，機器人也必須將之識別為同一種物體。

這其中最關鍵的一個步驟，在于構造語義地圖。

構造「有魔法的」地圖

從下圖可見，圖像被處理成RGB和Depth兩種模式。

其中，RGB圖像會通過Mask RCNN網絡，用于獲得目標分割預測。

而Depth架構，則被用于計算點云，其中的每個點，都會在Mask RCNN的預測結果基礎上與語義標簽進行關聯。

最后，基于幾何計算，會在空間中會生成一個三維立體圖。

每一個通道用于表示一種物體類別，原本2D的地圖就會轉變成一個3D的語義地圖。

有了語義地圖，機器人在移動時也能準確地對3D空間進行目標預測了。

「語義好奇心」獎勵機制

不過，這會出現一種情況，如果目標物體在不同的幀上被預測的標簽不同，那么語義圖中對應這個物體的多個通道都會是1。

如下圖，不同的時間，系統預測的目標標簽可能并不一樣，有時候是床，有時候則變成了沙發。

這就出現了語義好奇心的策略。

論文定義了語義好奇心累計獎勵（cumulative semantic curiosity reward），指占語義地圖中所有元素總和的比例。

而語義好奇心獎勵機制，則采用強化學習的方式，目的是使這個比例最大化。

通過了解物體之間的差異、從而了解房間布局，系統就會逐漸理解房間與物體的聯系。

實驗結果

事實證明，這種方法非常有效。

機器人在訓練過程中，可以專注地去理解目標物體與房間布局的關系，而非不停地進行路徑規劃。

訓練出的機器人，在人機交互方向上變得更加容易操控。

例如，在各種方法下，即使探索區域不及倒數第二和第三種方法，但語義好奇心仍然檢測出了相當的目標數量。

這說明它在進行目標檢測時，能更專注于所需要探測的物體。

而從下圖可見，語義好奇心明顯發現了更多其他策略無法發現的物體，這對于檢測目標是非常有效的。

在最終的訓練結果中，語義好奇心拿到了最高的39.96分。

這個方法，使得人與機器人之間的交互也變得更加容易實現。

作者介紹

Devendra Singh Chaplot，在卡內基梅隆大學（CMU）讀博，主要研究深度強化學習、以及其在機器人和自然語言處理方向上的應用。

傳送門：

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2006.09367.pdf

項目鏈接：https://devendrachaplot.github.io/projects/SemanticCuriosity