李飞飞「数字表兄弟」破解机器人训练难题！零样本sim2real成功率高达90%

　　在用模拟环境训练机器人时，所用的数据与真实世界存在着巨大的差异。为此，李飞飞团队提出「数字表亲」，这种虚拟资产既具备数字孪生的优势，还能补足泛化能力的不足，并大大降低了成本。

　　如何有效地将真实数据扩展到模拟数据，进行机器人学习?

　　最近，李飞飞团队提出一种「数字表亲」的新方法，可以同时降低真实到模拟生成的成本，同时提高学习的普遍性。

　　目前，论文已被CORL2024接收。

　　你可能会问，什么是「数字表亲」，有啥用呢?

　　让我们把它跟数字孪生比较一下。

　　的确，数字孪生可以准确地对场景进行建模，然而它的生成成本实在太昂贵了，而且还无法提供泛化功能。

　　而另一方面，数字表亲虽然没有直接模拟现实世界的对应物，却仍然能够捕获相似的几何和语义功能。

　　这样，它就大大降低了生成类似虚拟环境的成本，同时通过提供类似训练场景的分布，提高了从模拟到真实域迁移的鲁棒性。

　　共同一作Tianyuan Dai表示，既然有免费的「数字表亲」了，何必再去手工设计数字孪生?

　　亮眼的是，「数字表亲」能同时实现——

　　单幅图像变成交互式场景

　　全自动(无需注释)

　　机器人策略在原始场景中的零样本部署

　　简单拍一张照片，就能搞定了

　　模拟数据难题:与现实环境差异过大

　　在现实世界中训练机器人，存在策略不安全、成本高昂、难以扩展等问题;相比之下，模拟数据是一种廉价且潜在无限的训练数据来源。

　　然而，模拟数据存在一个难以忽视的问题——与现实环境之间的语义和物理差异。

　　这些差异可以通过在数字孪生中进行训练来最小化，但数字孪生作为真实场景的虚拟复制品，同样成本高昂且无法跨域泛化。

　　正是为了解决这些限制，论文提出了「数字表亲」(digital cousion)的概念。

　　「数字表亲」是一种虚拟资产或场景，与数字孪生不同，它不明确模拟现实世界的对应物，但仍然展现类似的几何和语义功能。

　　因此，数字表亲既具备了数字孪生的优势，能够补足现实数据的不足，同时降低了生成类似虚拟环境的成本，并能更好地促进跨域泛化。

　　具体而言，论文引入了一种自动创建数字表亲(Automatic Creation of Digital Cousins，ACDC)的新方法，并提出了一个完全自动化的，从真实到模拟再到真实的流程，用于生成交互式场景和训练策略。

　　实验结果发现，ACDC生成的数字表亲场景能够保留几何和语义功能，训练出的策略也优于数字孪生(90% vs.25%)，而且可以通过零样本学习直接部署在原始场景中。

　　方法概述

　　与数字孪生不同，数字表亲并不苛求在所有微小细节上都要重建给定场景，而是专注于保留更高级别的细节，例如空间关系和语义。

　　ACDC是一个完全自动化的端到端流程，从单个RGB图像生成完全交互式的模拟场景，由三个连续步骤组成:

　　信息提取:首先，从输入的RGB图像中提取对象信息。

　　数字表亲匹配:利用第一步提取的信息，结合预先准备的3D模型资产数据集，为检测到的每个对象匹配相应的数字表亲。

　　场景生成:对选择的数字表亲进行后处理并编译在一起，生成一个物理上合理且完全交互式的模拟场景。

　　通过这三个步骤，ACDC能够自动创建与输入图像语义相似但不完全相同的虚拟场景，为机器人策略训练提供多样化的环境。

　　策略学习

　　构建了一组数字表亲后，就可以这些环境中训练机器人策略。

　　虽然这种方法适用于多种训练范式，例如强化学习或模仿学习，但本文选择聚焦于于脚本演示(scripted demonstrations)的模仿学习，因为这种范式不需要人类演示，与完全自主化的ACDC流程更加适配。

　　为了能在模拟环境中自动实现演示的收集，作者首先实施了一组基于样本的技能，包括Open(开)、 Close(关)、 Pick(拿)和Place(放)四种。

　　虽然技能的种类数仍然有限，但已经足够收集各种日常任务的演示，例如对象重新排列和家具铰接。

　　实验

　　通过实验，团队回答了以下研究问题:

　　Q1:ACDC能否生成高质量的数字表亲场景?给定单张RGB图像，ACDC能否捕捉原始场景中固有的高级语义和空间细节?

　　Q2:在原始的环境设置上评估时，在数字表亲上训练的策略能否匹配数字孪生的性能?

　　Q3:在分布外设置上评估时，在数字表亲上训练的策略是否表现出更强的稳健性?

　　Q4:在数字表亲上训练的策略能否实现零样本的sim2real策略迁移?

　　通过ACDC进行场景重建

　　首先团队需要论证的最重要的问题，就是ACDC能生成高质量的数字表亲场景吗?

　　从表格中的数据来看，结果十分令人满意。

　　以下是在sim-to-sim场景中对ABCD场景重建进行的定量和定性评估。

　　在sim2sim场景中对ACDC进行场景重建的定量和定性评估

　　评估指标包括:

　　「Scale」:输入场景中两个对象边界框之间的最大距离。

　　「Cat.」:正确分类对象占场景总对象总数的比例。

　　「Mod.」:正确建模对象占场景中对象总数的比例。

　　「L2Dist.」:输入和重建场景中边界框中心间欧几里得距离的均值和标准差。

　　「Ori. Diff.」:每个中心对称对象方向幅度差异的均值和标准差。

　　「Bbox IoU」:资产3D边界框的交并比(IoU)。

　　以下是ACDC实景到模拟场景的重建结果。

　　在给定场景中，会显示多个数字表亲。

　　ACDC真实到模拟场景重建结果的定性评估，展示了为给定场景生成的多个数字表亲

　　基于这些结果，研究者可以肯定地回答Q1了——

　　ACDC确实能够保留输入场景的语义和空间细节，从单张RGB图像生成真实世界对象的数字表亲，并能准确定位和缩放以匹配原始场景。

　　sim2sim的策略学习

　　这部分的实验主要是为了回答上述研究中的Q2和Q3，在3个任务上分析ACDC训练策略的能力，包括「开门」、「打开抽屉」和「收起碗」，每项任务都与数字孪生设置进行了对比。

　　不同设置中的总体成功率如下图所示。

　　可以发现，在数字表亲上训练的策略通常可以匹配，甚至优于数字孪生的设置。

　　作者假设，由于数字表亲的策略是在不同环境设置的数据上进行训练的，因此可以覆盖广泛的状态空间，从而很好地推广到原始数字孪生设置。

　　然而，在另一个极端，针对所有可行资产(All Assets)进行训练场的策略要比数字孪生差得多，这表明朴素的领域随机化并不总是有用的。

　　此外，随着DINO嵌入距离的增加，即评估设置与原始设置的差异逐渐增大，数字孪生的策略性能通常会出现成比例的显著下降，但数字孪生策略整体表现更加稳定，证明了在分布外设置上的鲁棒性。

　　sim2real的策略学习

　　随后，研究者对数字孪生和数字表亲策略进行了零样本现实世界评估。

　　任务是给宜家柜子上开门。

　　评估指标就是成功率。

　　结果显示，模拟结果平均超过50次试验，真实结果平均超过20次试验。

　　real2sim2real的场景生成和策略学习

　　无论是数字孪生还是数字表亲，最终的落脚点还是要在真实环境中对比性能。

　　因此实验的最后，团队在完全真实(in-the-wild)的厨房场景中端到端地测试了完整的ACDC管道和自动化策略学习框架。

　　在经过数字表亲的专门模拟训练后，机器人可以成功打开厨房橱柜，证明了ACDC方法迁移到真实环境中的有效性。

　　以下Demo展示了完全自动化的数字表亲生成过程。

　　零样本的sim2real策略迁移实验表明，仅从上述生成的四个数字表亲训练的模拟策略，可以直接迁移到相应的真实厨房场景。

　　基于这些结果，研究者可以肯定地回答Q2、Q3和Q4了——

　　使用数字表亲训练的策略，表现出了与在数字孪生上训练策略相当的分布内性能，以及更强的分布外鲁棒性，并且可以实现零样本从模拟到现实的策略迁移。

　　失败案例

　　即使ACDC方法表现出了整体上的优越性能，研究团队也在实验中观察到了几个失败案例，例如:在打开柜子的任务中，机器人未能完全移动到把手所在位置——

　　或者移动时错过把手——

　　即使正确找到了把手所在位置，也有可能手滑——

　　可以观察到，ACDC经常在以下几种情况下陷入困境:

　　a. 高频深度信息

　　b. 遮挡

　　c .语义类别差异

　　d. 缺乏相应类别的资产

　　e. 除「位于顶部」之外的对象关系

　　前三个限制，与ACDC的参数化方式直接相关。

　　比如对于(a)，由于ACDC依赖于相对准确的深度估计，来计算预测的对象3D边界框，因此不准确的深度图可能会导致ACDC对物体模型的估计相应较差。

　　原生深度传感器在物体边界附近可能难以产生准确的读数，这是因为深度图在这些区域可能出现不连续性。当物体具有许多精细边界时(例如植物和栅栏)，这个问题会变得更加复杂。

　　此外，由于研究者依赖现成的基础模型(DepthAnything-v2)来预测合成深度图，因此也承袭了模型自身的一系列限制，例如对特殊物体或在不利的视觉条件下的预测较差。

　　结论

　　最终，研究者得出了以下结论。

　　ACDC是一个全自动化管线，能够快速生成与单张真实世界RGB图像相对应的完全交互式数字表亲场景。

　　研究发现:

　　1. 鲁棒性

　　在这些数字表亲设置上训练的策略，比在数字孪生上训练的策略表现出更强的鲁棒性。

　　为了进一步检查数字表亲对朴素域随机化的相对影响，研究者根据其他基线在 DoorOpening任务上重新运行了sim2sim实验

　　2.性能对比

　　领域内性能:数字表亲训练的策略与数字孪生训练的策略相当。

　　领域外泛化:数字表亲训练的策略展现出优越的领域外泛化能力。

　　3. 零样本学习

　　数字表亲训练的策略能够实现零样本从模拟到现实的策略迁移。

　　作者介绍

　　TianyuanDai

　　Tianyuan Dai本科毕业于香港科技大学，获得了计算机科学和数学学士学位，目前在斯坦福攻读硕士学位，隶属于斯坦福SVL实验室(Vision and Learning Lab)和PAIR研究小组(People， AI & Robots Group)，由李飞飞指导。

　　他的长期愿景是将人类对现实世界环境的理解融入到机器人算法中，使用数据驱动的方法帮助人们完成日常任务;最近研究的重点是开发real2sim2real范式，以实现稳健的操控策略学习(manipulation policy learning)。

　　Josiah Wong

　　Josiah Wong目前在斯坦福大学攻读机械工程博士学位，导师是李飞飞，同样在SVL和PAIR组工作。

　　此前，他在斯坦福大学获得硕士学位，在加利福尼亚大学圣迭戈分校获得学士学位。

　　他致力于利用仿真技术来拓展机器人操作能力，目标是推动日常通用机器人的发展，从而改善我们的日常生活。