[導讀 ] 如何讓機器看懂這個世界？如何真正實現(xiàn)全自主移動機器人？三維視覺技術(shù)將如何發(fā)展？
本文根據(jù)速感科技創(chuàng)始人陳震在@鈦媒體 第28期微信公開課“鈦坦白”的分享整理。速感科技是一家以機器視覺為核心的人工智能創(chuàng)業(yè)公司，機器人行業(yè)領(lǐng)先的視覺解決方案提供商。目前公司的主要產(chǎn)品為軟、硬件一體化視覺解決方案——ULBrain?集成芯片式視覺傳感器、Inbox?工業(yè)級導航定位模塊及Xbot?機器人硬件開發(fā)平臺。速感科技致力于幫助行業(yè)用戶利用低成本、高效的視覺融合方法解決空間中智能設(shè)備的感知、定位、導航、規(guī)劃等關(guān)鍵應用問題。
以下是陳震在鈦坦白的分享：
從本科到研究生階段，再到2014年出來創(chuàng)業(yè)以后，這前后大概5年的時間里，我始終聚焦在視覺領(lǐng)域的學習。所以能夠比較清晰地看到，在這幾年時間里，以視覺為核心的，包括人臉識別、物體識別、空間定位、導航避障等在內(nèi)的感知層算法正在隨著底層人工智能的基礎(chǔ)型算法架構(gòu)（比如我們現(xiàn)在熟知的機器學習、深度學習，以及最近很火的增強學習）和硬件傳感器的發(fā)展產(chǎn)生著日新月異的變化。
在實驗室的時候，我的主要研究方向是為特種機器，包括微小型的無人機、功能性的機器人構(gòu)建一套以視覺感知為主的機器人視覺系統(tǒng)，而在2011年后發(fā)展起來的這一波感知層算法的進步與傳感器硬件上面的推陳出新恰恰為這樣的研究提供了有利的支持，以至于到今天推動了整個資本市場上對于人工智能項目的大熱與追捧。
下面，我將從機器人視覺系統(tǒng)、視覺技術(shù)原理和未來發(fā)展趨勢三個方面，為大家講述我們是如何為機器人構(gòu)建起一個“三維世界”的。
我們知道“機器人”這一名詞是1920年一位捷克作家在一本科幻劇中提出的，到了1950年前后，另一位美國作家阿西莫夫才系統(tǒng)性的提出了“機器人學”這一概念，并給出了著名的機器人三定律。在那之后，從1970年，隨著計算機的興起，現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，機器人開始了真正的產(chǎn)品化的進程。
也正是從那個時候開始，搭載一顆基于CCD芯片攝像頭的機器人，可以為人們提供某一時刻的光學影像信息記錄，而這也形成了最早期的機器人視覺系統(tǒng)。值得一提的是，1969年美國的阿波羅登月飛船上搭載的正是基于CCD感光芯片的照相機，為機器人視覺系統(tǒng)的硬件架構(gòu)提供了系統(tǒng)性的參照。
由于具備一定的簡單的記憶存儲能力，那個時候的機器人可以進行簡單的重復作業(yè)，但是對周圍環(huán)境沒有任何感知與反饋控制能力，我們稱當時的機器人為第一代機器人。
時間推進到80年代，視覺傳感器、力觸覺傳感器、接近傳感器和計算機在這一時期進入到了快速發(fā)展期，特別是摩爾定律的發(fā)現(xiàn)代表著信息技術(shù)的發(fā)展速度在這一時期確確實實到了頂峰。這一時期的機器人已經(jīng)具備了一定的感知能力，能夠獲取作業(yè)環(huán)境與作業(yè)對象的部分信息，并進行一定的實時處理，引導機器人進行作業(yè)。
比如下圖我們看到的當時美國斯坦福研究所開發(fā)實現(xiàn)的Shakey移動機器人，擁有電子攝像頭、測距儀等感知設(shè)備，建立了一套底層到頂層的分層控制機制和當時最先進的視覺系統(tǒng)，用來幫助機器人在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中進行獨立的推理、運動規(guī)劃與實時控制。這是當時人工智能技術(shù)應用于移動機器人最為成熟的成果之一，Shakey的誕生自此也揭開了智能移動機器人研究的大幕。
自此以后，世界各國都開始投入到了對移動機器人的研究上，而在這之中，視覺系統(tǒng)更是被公認為是機器人走向智能的核心入口。因為在研究的推進中，人們需要機器人對環(huán)境擁有更完善的感知能力、邏輯思維能力、判斷決策能力，甚至是根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息進行自主的工作。
比如美國DARPA在90年代研究的ALV自主車可以選擇路標識別實現(xiàn)導航，達到10km/h的移動虛度，還采用了立體視覺、衛(wèi)星導航等當時的先進技術(shù)。2004年NASA研制的火星探測器機遇號與勇氣號成功在火星表面登陸，搭載當時最為先進的圖像采集與立體視覺技術(shù)，幫助探測器在復雜的星球表面完成各項未知任務(wù)。而也正是在這樣一個時期，三維視覺系統(tǒng)在移動機器人上的重要性被首次提出。
通過上面的介紹，不難發(fā)現(xiàn)，從上個世紀六七十年代發(fā)展起來的機器人視覺系統(tǒng)，到今天，實際上是建立在不同時期最先進的算法技術(shù)和硬件傳感器的基礎(chǔ)之上的。在視覺系統(tǒng)的算法技術(shù)上，通過幾十年的發(fā)展，形成了用戶交互、識別感知、運動決策和數(shù)據(jù)優(yōu)化4個層級，分別對應實現(xiàn)體感識別、目標跟隨、人眼跟隨；地圖構(gòu)建、場景理解、物體識別；定位定姿、自主導航、路徑規(guī)劃；圖像優(yōu)化、深度優(yōu)化、其他數(shù)據(jù)優(yōu)化等諸多今天大家耳熟能詳?shù)乃惴?。在硬件傳感器上，也主要分為前端傳感器表現(xiàn)，集成處理芯片和嵌入式算法三個層級。在今天的鈦坦白分享課上，我會主要介紹一下三維視覺的主要實現(xiàn)原理。
在前面的介紹中，我們看到，機器人視覺系統(tǒng)一路走來，和光學傳感器的演進密不可分。可以說視覺系統(tǒng)幾十年的發(fā)展史，就是光學傳感器的演進史。今天，我們大體將機器人視覺系統(tǒng)中搭載的視覺傳感器分為三類：以單線激光雷達為代表的一維線陣傳感器，以嵌入式攝像頭為代表的二維面陣傳感器和以特殊光源為代表的三維深度傳感器。其中，以特殊光源為代表的三維深度傳感器是實現(xiàn)機器人三維視覺系統(tǒng)的最主要也是最關(guān)鍵的傳感器，三維數(shù)據(jù)的獲取質(zhì)量直接影響了移動機器人后端的算法結(jié)果與決策控制。
目前實現(xiàn)三維深度傳感器的主流技術(shù)大體在2010年后發(fā)展起來，路線有以下幾類：基于單目結(jié)構(gòu)光技術(shù)路線、基于雙目結(jié)構(gòu)光技術(shù)路線以及基于飛行時間法技術(shù)路線。速感科技在今年的11月份，面向服務(wù)機器人廠商推出的M-32三維傳感器就是基于其中的雙目結(jié)構(gòu)光原理實現(xiàn)的，且集成嵌入式視覺算法的視覺傳感器。結(jié)構(gòu)光的原理是利用激光的光學衍射原理，通過傳感器投射出特定的圖案，用以加速或輔助深度圖的獲取。
其中特定的圖案可以分為規(guī)則、偽隨機或隨機點狀散斑和特殊圖形斑幾類，其優(yōu)勢在于精度高，刷新率快，但缺點是不適合在戶外強光下的環(huán)境進行使用。飛行時間的原理也稱TOF原理，是利用調(diào)制光源在不同距離接收到的相位不同從而根據(jù)光的傳播速度反算距離這一原理實現(xiàn)的深度獲取，這一原理的優(yōu)勢測量精度不會隨著距離遞減，但劣勢是分辨率低且環(huán)境擾動大。
講到基于視覺的機器人感知算法原理，就不得不提到這兩年大火的SLAM技術(shù)。 SLAM (simultaneous localization and mapping，即時定位與地圖構(gòu)建。由于其重要的理論與應用價值，被很多學者認為是實現(xiàn)真正全自主移動機器人的關(guān)鍵。
我和我的合伙人2012年開始接觸這一技術(shù)，到2014年創(chuàng)業(yè)的時候，除了國內(nèi)一些研究機器人自動化技術(shù)的實驗室和老師，幾乎做圖形圖像的學術(shù)圈都沒怎么聽說過SLAM，更不用說當時的創(chuàng)業(yè)公司和資本市場。而今天，幾乎整個人工智能領(lǐng)域似乎都對SLAM這一技術(shù)報以了極大的關(guān)注度與期望，這實際上是和這一技術(shù)在今天對于機器人和人工智能的重要地位以及代表性產(chǎn)品的推出是分不開的。
我認為SLAM技術(shù)在資本市場上獲得極大的關(guān)注度有很大一部分原因是去年美國明星創(chuàng)業(yè)團隊Magic Leap在AR領(lǐng)域的技術(shù)探索，微軟公司在去年推出的Hololens以及今年10月份Google開源了一套SLAM算法密不可分的。由于在這之前，大家都沒有聽說過SLAM這一技術(shù)，更不必說意識到這一技術(shù)在2010年后在機器人領(lǐng)域取得突飛猛進的進步。當有代表性的產(chǎn)品或者公司將這一技術(shù)運用起來，便一下子引起了大家的關(guān)注。
今天我和大家介紹一些2010年后隨著三維視覺傳感器的興起，SLAM的進一步演進，也就是今天我們應用在各種移動機器人上的vSLAM（基于視覺的同時定位與構(gòu)圖技術(shù)），是如何建立起來并且被應用在機器人的自主導航、路徑規(guī)劃等方案中的。
從2012年開始在實驗室的接觸研究，再到后來成立速感和同事們推進技術(shù)的迭代中，我覺得對于SLAM到今天為止，有三個里程碑式的事件：
2000年左右的國際機器人研討會上，首次給出了SLAM這一基本框架和收斂性的驗證結(jié)果，并針對這一理論給出了具體的證明和結(jié)論，自此，以MIT、悉尼大學為代表的研究移動機器人地圖構(gòu)建和定位的學術(shù)圈前輩才正式開始致力于SLAM技術(shù)的研究，補充并完善的給出了SLAM的技術(shù)可行性依據(jù)。在這之前盡管SLAM這一理論被提出有10年之久，但學術(shù)圈普遍認為這一理論得到的地圖估計誤差是不收斂的，因此不能通過處理一個同時包含機器人定位與特征路標位置的聯(lián)合狀態(tài)對模型進行求解從而得到結(jié)果；
2011年前后，正好是我進入到實驗室，和實驗室的師兄師弟開始對無人機視覺系統(tǒng)的定位定姿與地圖構(gòu)建進行系統(tǒng)性的學習與開發(fā)的階段，以Kinect 1為代表的視覺傳感器開始在SLAM研究領(lǐng)域興起，為SLAM的大踏步發(fā)展奠定了底層硬件上的基礎(chǔ)契機。從整個機器人視覺系統(tǒng)的發(fā)展歷程來看，任何一個關(guān)鍵技術(shù)的應用需要一個較長時間的技術(shù)轉(zhuǎn)化周期，而突破性的進展離不開底層關(guān)鍵元器件、計算芯片或傳感器的支持。而我認為，三維視覺傳感器的興起正是為SLAM的發(fā)展提供了這樣的關(guān)鍵一步；
從去年開始到今年的這一波世界范圍內(nèi)的人工智能浪潮。誠然我們需要看清楚的是，在這一次人工智能復興的浪潮中，存在很多被稱為“偽命題”的黑科技，但是也要清楚的看到隨著深度學習、增強學習以及遷移學習這樣基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)訓練與學習方式的變革，帶動了一批過去我們看來在實際商業(yè)化與產(chǎn)品化并不成熟的行業(yè)。比如VR/AR，比如無人駕駛，再比如機器人、無人機。很幸運的是，在目前最熱的人工智能涉及到的這三個行業(yè)中，我們都看到了SLAM的影子，并且看到了這一技術(shù)在這其中所發(fā)揮出的巨大價值。
今天廣泛被人們討論和學習的vSLAM，簡單來說，是SLAM技術(shù)發(fā)展到今天結(jié)合目前的底層技術(shù)實現(xiàn)與硬件，離產(chǎn)品化最近的一種表現(xiàn)形式。針對不同端的應用需求，被分為了sparse（稀疏）和dense（稠密）兩大類，前者側(cè)重空間中對位置的感知與描述，后者側(cè)重空間中對環(huán)境的構(gòu)建與理解，但無論是哪一類，其基礎(chǔ)性的構(gòu)造框架對于數(shù)據(jù)的處理一定是分為前端和后端兩部分的。
其中前端用來對數(shù)據(jù)進行實時的特征提取、剔除噪聲、幀匹配得到位置轉(zhuǎn)移向量，這一部分又可以單獨作為輕量級的視覺定位定姿算法，成為VO，常見的優(yōu)化包括加入IMU慣性測量單元數(shù)據(jù)進行計算，也叫VIO。后端主要從全局的角度出發(fā)，通過濾波算法、圖優(yōu)化、樹優(yōu)化等方法對前端得到的結(jié)果進行閉環(huán)檢測、循環(huán)迭代等方法的二次優(yōu)化，最終得到最優(yōu)的計算結(jié)果。
對于SLAM算法，很多人覺得掌握了SLAM算法就解決了機器人移動這樣關(guān)鍵性的基本問題，事實上并非如此。SLAM在今天之于人工智能機器人等領(lǐng)域的發(fā)展上，已經(jīng)越來越像深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣，成為一項基礎(chǔ)性的工具。
一個表現(xiàn)好的SLAM框架可以幫助我們得到一個魯棒性高的空間運動模型和空間環(huán)境模型，但是只是讓機器人看到了世界，并不能真正指導機器人的決策，因此我們需要利用這樣的模型，回到具體環(huán)境中有針對性的進行接下來的自主導航與路徑規(guī)劃等方案的開發(fā)。
目前我們基于vSLAM算法，針對機器人在環(huán)境中的全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃，我們開發(fā)了一套魯棒性高，可以實時決策的路徑規(guī)劃與導航算法框架，可以有針對性的結(jié)合vSLAM得到的最優(yōu)計算結(jié)果，進行有效的多傳感器融合與前端處理器的嵌入式集成，使其可以在不同復雜的環(huán)境中獲得良好的表現(xiàn)結(jié)果。
在這一點上，我覺得過去這幾年，人工智能的研究始終停留在對于感知算法的迭代優(yōu)化上，包括人臉識別、 語義分析等等，我們追求更高的測試與跑分結(jié)果，反倒是忽略了這樣的技術(shù)應該如何更好地在商業(yè)領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生更多的價值。因此我們也發(fā)現(xiàn)，從去年開始的這一波人工智能浪潮，正在推動學術(shù)界在人工智能的研究從感知向真正的決策與使用轉(zhuǎn)移。
比如今天我們看到的VR/AR設(shè)備、無人駕駛汽車等等都是將這樣的技術(shù)在一個具體細分的行業(yè)里面加以實踐，實踐中遇到了棘手的問題，然后尋找解決辦法，指導底層硬件進行決策。我覺得這是真正的進步，而在接下來的幾年，人工智能最大的增長點應該是如何幫助人們?nèi)?yōu)化地進行決策。
機器人自誕生之日起，視覺功能就是其最核心的功能與智能化的入口，三維視覺已經(jīng)在近10年的發(fā)展中逐漸成為機器人的主流與標準配置，用以解決以往移動機器人“看不見”這一難題。但是由于從目前的硬件發(fā)展局限性而言，依然存在計算量大、使用環(huán)境受限等問題。針對更細分的應用場景，設(shè)計實現(xiàn)三維視覺技術(shù)的小型化、模塊化、前端化將會成為今后兩到三年業(yè)內(nèi)主流的發(fā)展方向。
小型化：從CCD、CMOS芯片的相機，再到一維、二維激光雷達及三維視覺傳感器，數(shù)據(jù)量在增加的同時，小型化的體積更加利于系統(tǒng)的集成；
模塊化：機器人視覺系統(tǒng)功能與定位越來越明確，通用性的接口與標準正在逐步形成，行業(yè)進入方向明確化發(fā)展階段；
前端化：GPU、FPGA、DSP等專用處理器飛速發(fā)展，通用處理器的計算資源需求正在被簡化，將更側(cè)重于交互功能的實現(xiàn)。
在這條道路上，整個機器人行業(yè)正在興起，行業(yè)格局也越發(fā)清晰，產(chǎn)業(yè)鏈的上下游已經(jīng)初見成熟，希望速感科技目前在做的事情，能夠通過自身在發(fā)展中的不斷積累，真正的，實實在在的推動正在興起的機器人產(chǎn)業(yè)的進步與發(fā)展。
—— End ——
作者簡介：陳震丨速感科技創(chuàng)始人
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