Andersons Blickwinkel

NeRF: Training von Drohnen in Neuralen Radiance-Umgebungen

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Forscher der Stanford University haben eine neue Methode entwickelt, um Drohnen in photorealistischen und hochgenauen Umgebungen zu trainieren, indem sie die jÞngste Flut von Interesse an Neuralen Radiance-Feldern (NeRF) nutzen.

Drohnen kÃķnnen in virtuellen Umgebungen trainiert werden, die direkt von realen Orten abgebildet werden, ohne dass spezielle 3D-Szene-Rekonstruktion erforderlich ist. In diesem Bild aus dem Projekt wird eine WindstÃķrung als potenzielles Hindernis fÞr die Drohne hinzugefÞgt, und wir kÃķnnen sehen, wie die Drohne vorÞbergehend von ihrer Traektorie abweicht und im letzten Moment korrigiert, um ein potenzielles Hindernis zu vermeiden. Quelle: https://mikh3x4.github.io/nerf-navigation/

Drohnen kÃķnnen in virtuellen Umgebungen trainiert werden, die direkt von realen Orten abgebildet werden, ohne dass spezielle 3D-Szene-Rekonstruktion erforderlich ist. In diesem Bild aus dem Projekt wird eine WindstÃķrung als potenzielles Hindernis fÞr die Drohne hinzugefÞgt, und wir kÃķnnen sehen, wie die Drohne vorÞbergehend von ihrer Traektorie abweicht und im letzten Moment korrigiert, um ein potenzielles Hindernis zu vermeiden. Quelle: https://mikh3x4.github.io/nerf-navigation/

Die Methode bietet die MÃķglichkeit fÞr interaktives Training von Drohnen (oder anderen Arten von Objekten) in virtuellen Szenarien, die automatisch Volumeninformationen (zur Kollisionserkennung), Texturinformationen aus realen Fotos (zum Training der Bilderkennungsnetzwerke der Drohne) und reale Beleuchtung (um eine Vielzahl von Beleuchtungsszenarien zu trainieren und Überanpassung oder Überoptimierung zu vermeiden) enthalten.

Ein Couch-Objekt navigiert durch eine komplexe virtuelle Umgebung, die mit herkÃķmmlichen AR/VR-Workflows sehr schwierig zu kartieren gewesen wÃĪre, aber die in NeRF automatisch aus einer begrenzten Anzahl von Fotos rekonstruiert wurde. Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=5JjWpv9BaaE

Ein Couch-Objekt navigiert durch eine komplexe virtuelle Umgebung, die mit herkÃķmmlichen AR/VR-Workflows sehr schwierig zu kartieren gewesen wÃĪre, aber die in NeRF automatisch aus einer begrenzten Anzahl von Fotos rekonstruiert wurde. Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=5JjWpv9BaaE

Typische NeRF-Implementierungen verfÞgen nicht Þber Traektorienmechanismen, da die meisten NeRF-Projekte der letzten 18 Monate sich auf andere Herausforderungen konzentriert haben, wie z.B. Szenen-Relighting, Reflektionsrendering, Compositing und Disentanglement von erfassten Elementen. Daher ist die primÃĪre Innovation des neuen Artikels die Implementierung einer NeRF-Umgebung als navigierbarer Raum, ohne die umfangreichen AusrÞstungen und zeitaufwÃĪndigen Verfahren, die erforderlich wÃĪren, um sie als 3D-Umgebung basierend auf Sensor-Erfassung und CGI-Rekonstruktion zu modellieren.

NeRF als VR/AR

Der neue Artikel trÃĪgt den Titel Vision-Only Robot Navigation in a Neural Radiance World und ist eine Zusammenarbeit zwischen drei Abteilungen der Stanford University: Aeronautik und Astronautik, Maschinenbau und Informatik.

Die Arbeit schlÃĪgt einen Navigationsrahmen vor, der einem Roboter eine vorgefertigte NeRF-Umgebung bietet, deren Volumendichte die mÃķglichen Pfade fÞr das GerÃĪt begrenzt. Er enthÃĪlt auch einen Filter, um zu schÃĪtzen, wo sich der Roboter innerhalb der virtuellen Umgebung befindet, basierend auf der Bilderkennung der RGB-Kamera des Roboters. Auf diese Weise kann eine Drohne oder ein Roboter genauer “halluzinieren”, was sie in einer bestimmten Umgebung erwarten kann.

Der Traektorien-Optimierer des Projekts navigiert durch ein NeRF-Modell von Stonehenge, das durch Photogrammetrie und Bildinterpretation in eine NeRF-Umgebung generiert wurde. Der Traektorien-Planer berechnet mehrere mÃķgliche Pfade, bevor er eine optimale Traektorie Þber den Bogen festlegt.

Der Traektorien-Optimierer des Projekts navigiert durch ein NeRF-Modell von Stonehenge, das durch Photogrammetrie und Bildinterpretation (in diesem Fall von Mesh-Modellen) in eine NeRF-Umgebung generiert wurde. Der Traektorien-Planer berechnet mehrere mÃķgliche Pfade, bevor er eine optimale Traektorie Þber den Bogen festlegt.

Weil eine NeRF-Umgebung vollstÃĪndig modellierte Okklusionen aufweist, kann die Drohne leichter Hindernisse berechnen, da das neuronale Netzwerk hinter der NeRF die Beziehung zwischen Okklusionen und der Art und Weise, wie die Bilderkennungs-Systeme der Drohne die Umgebung wahrnehmen, kartieren kann. Die automatisierte NeRF-Generierungspipeline bietet eine relativ triviale Methode, um hyper-realistische TrainingsrÃĪume mit nur wenigen Fotos zu erstellen.

Der online-Neuplanungs-Framework, der fÞr das Stanford-Projekt entwickelt wurde, ermÃķglicht eine widerstandsfÃĪhige und vollstÃĪndig bildbasierte Navigationspipeline.

Der online-Neuplanungs-Framework, der fÞr das Stanford-Projekt entwickelt wurde, ermÃķglicht eine widerstandsfÃĪhige und vollstÃĪndig bildbasierte Navigationspipeline.

Die Stanford-Initiative ist eine der ersten, die die MÃķglichkeiten der Erforschung eines NeRF-Raums im Kontext einer navigierbaren und immersiven VR-ÃĪhnlichen Umgebung in Betracht zieht. NeRF ist eine aufstrebende Technologie, die derzeit Gegenstand mehrerer akademischer BemÞhungen ist, um ihre hohen Rechenanforderungen zu optimieren und die erfassten Elemente zu entflechten.

NeRF ist nicht (eigentlich) CGI

Weil eine NeRF-Umgebung ein navigierbarer 3D-Raum ist, ist sie seit ihrer EinfÞhrung im Jahr 2020 oft missverstanden worden, da sie oft als Methode zur Automatisierung der Erstellung von Meshes und Texturen wahrgenommen wird, anstatt 3D-Umgebungen zu ersetzen, die den Zuschauern aus den Spezialeffekten von Hollywood und den fantastischen Szenen von Augmented Reality und Virtual Reality vertraut sind.

NeRF extrahiert Geometrie- und Texturinformationen aus einer sehr begrenzten Anzahl von Bildperspektiven, indem es die Differenz zwischen Bildern als Volumeninformation berechnet. Quelle: https://www.matthewtancik.com/nerf

NeRF extrahiert Geometrie- und Texturinformationen aus einer sehr begrenzten Anzahl von Bildperspektiven, indem es die Differenz zwischen Bildern als Volumeninformation berechnet. Quelle: https://www.matthewtancik.com/nerf

TatsÃĪchlich ist die NeRF-Umgebung eher ein “live”-Render-Raum, in dem eine Kombination aus Pixel- und Beleuchtungsinformationen aufrechterhalten und in einem aktiven neuronalen Netzwerk navigiert wird.

Der SchlÞssel zum Potenzial von NeRF ist, dass sie nur eine begrenzte Anzahl von Bildern erfordert, um Umgebungen zu rekonstruieren, und dass die generierten Umgebungen alle notwendigen Informationen fÞr eine hochwertige Rekonstruktion enthalten, ohne dass die Dienste von Modellierern, Texturexperten, Beleuchtungsspezialisten und anderen BeitrÃĪgern zu “traditionellem” CGI erforderlich sind.

Semantische Segmentierung

Auch wenn NeRF effektiv “Computer-Generiertes Bild” (CGI) darstellt, bietet es eine vÃķllig andere Methodik und eine hochautomatisierte Pipeline. DarÞber hinaus kann NeRF bewegliche Teile einer Szene isolieren und “kapseln”, sodass sie hinzugefÞgt, entfernt, beschleunigt und allgemein als separate Aspekte in einer virtuellen Umgebung operieren kÃķnnen – eine FÃĪhigkeit, die weit Þber den aktuellen Stand der Technik in einer “Hollywood”-Interpretation von CGI hinausgeht.

ST-NeRF

Ein Projekt der Shanghai Tech University, das im Sommer 2021 verÃķffentlicht wurde, bietet eine Methode, um bewegliche NeRF-Elemente in “einsetzbare” Aspekte fÞr eine Szene zu individuieren. Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=Wp4HfOwFGP4

Negativ ist die Architektur von NeRF ein bisschen ein “black box”; es ist derzeit nicht mÃķglich, ein Objekt aus einer NeRF-Umgebung zu extrahieren und direkt mit herkÃķmmlichen mesh-basierten und bildbasierten Tools zu manipulieren, obwohl eine Reihe von ForschungsbemÞhungen beginnt, DurchbrÞche bei der Dekonstruktion der Matrix hinter NeRFs neuronalem Netzwerk zu erzielen.

Schriftsteller Þber maschinelles Lernen, DomÃĪnen-Spezialist in der menschlichen Bildsynthese. Ehemaliger Leiter des Forschungsinhalts bei Metaphysic.ai, bis zu dessen AuflÃķsung in DNEG's Brahma.ai.
Portfolio-Seite: martinanderson.ai
Kontakt: [email protected]