当前位置:

首页 > 硬件相关 > MIT让机器人学会“透视海水”:浑浊海底也能实时建图

MIT让机器人学会“透视海水”:浑浊海底也能实时建图

美国麻省理工学院与伍兹霍尔海洋研究所合作开发了Sonar-MASt3R水下测绘系统,融合声呐与光学数据,使机器人在浑浊海水中也能实时生成精细三维地图,已发表于ICRA并获最佳论文候选。

本文目录

    对于水下机器人来说,浑浊的海水就像一堵看不见的墙。

    当机器人降落到海底,或在沙地里进行挖掘、抓取等操作时,螺旋桨和机械臂很容易搅起大量泥沙。短短几秒钟内,原本清晰的视野就会变成一片浑浊,摄像头几乎什么也看不见。很多时候,机器人只能停在原地,等泥沙慢慢沉降后再继续工作。

    这听起来似乎不是什么大问题,但在一些场景中:例如水下排爆、深海打捞、海底设施巡检等,这种等待不仅会拖慢机器人的作业效率,更会增加额外的成本和风险。因为机器人如果无法及时判断周围环境,可能发生激烈碰撞或误操作。

    这个问题在最近迎来了进展:美国麻省理工学院与伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution,WHOI)的工程师合作开发了一套名为 Sonar-MASt3R 的水下测绘系统,能够将声呐传感器的声学数据与光学摄像头的视觉图像融合在一起,使水下机器人在低能见度的浑浊水域中也能实时生成精细的三维地图。

    该研究由 MIT 航空航天系研究生 Amy Phung 主导,与 WHOI 应用海洋物理与工程领域的资深科学家 Richard Camilli 合著。目前已在 ICRA 上正式发表并入选最佳论文候选名单。


    图|Amy Phung(来源:WHOI)

    推动这项研究的重要出发点之一,就是水下未爆弹药的清除。许多历史遗留爆炸物埋藏在近岸海域的沉积物中,不仅影响航运安全,也给海洋工程带来风险。

    长期以来,水下感知技术在两种方案之间权衡。一个是光学摄像头,另一个是声呐。前者能够提供丰富的纹理、颜色和细节信息,但对环境要求极高。一旦进入深海、夜间环境,或是被泥沙和沉积物遮蔽的区域,相机获取的信息便会急剧下降。相比之下,声呐几乎不受水体浑浊程度影响,它通过发射声波并分析回波来测量目标的距离、轮廓和深度,即使在完全看不见的环境中也能工作。

    但声呐也有自己的局限性。它擅长回答“那里有什么”,却很难回答“那到底是什么”的问题。相比真实图像,声呐生成的结果像是一幅缺少纹理与色彩的地形图,只能勾勒出目标的大致轮廓。

    因此,过去十余年里,研究人员一直试图将视觉与声学两种感知方式结合起来,这一方向被称为“光学-声学融合(Opti-Acoustic Fusion)”。理论上,视觉负责提供细节,声呐负责提供距离和结构信息,两者结合能够兼顾分辨率与鲁棒性。

    然而,真正实现这一目标并不容易。此前的大多数研究主要面向目标识别或局部场景重建,往往需要离线处理数据,难以满足实时作业需求。能够同时实现实时运行、三维建图,并适用于高浑浊水下环境的系统一直十分罕见。

    但这一次,MIT 团队的 Sonar-MASt3R 做到了。它脱胎于一个名为 MASt3R(Matching And Stereo 3D Reconstruction,匹配与立体三维重建)的图像匹配算法。该算法由法国 Na ver Labs Europe 团队开发,并于 2024 年发表在欧洲计算机视觉大会 ECCV 上。而 MASt3R 又建立在更早的 DUSt3R 框架之上。


    (来源:Na ver Labs Europe)

    相比前代,MASt3R 最大的改进是在网络中增加了一个专门输出稠密局部特征图的模块(Head),并配合快速互惠匹配算法,能够从多张二维图像中快速估算场景内每个像素的相对深度,从而在不依赖相机位姿信息的情况下实时生成三维点云。

    不过,MASt3R 也存在一个短板:它输出的是相对深度,而不是绝对深度。用 Phung 的话来说,“它会告诉你这个像素比另一个像素近 5 个单位,却没法告诉你这 5 个单位究竟是 5 米还是 5 英尺。”对于需要精确判断距离、避免碰撞的水下机器人来说,这显然不够。

    这就是声呐派上用场的地方。由于声波传播速度已知,声呐可以通过回波返回时间直接计算目标的实际距离和深度,为场景提供可靠的绝对尺度信息。这也成为 Phung 和 Camilli 破题的思路:既然 MASt3R 擅长重建三维世界,那么就让声呐来补上它最缺失的那部分,也就是真实距离。

    他们研究出的 Sonar-MASt3R 系统大致分为两个阶段。

    首先是“声呐扫描”。实验中,一台搭载声呐传感器的机械臂代替真实水下载具,在水箱中缓慢完成一次横向扫描。系统根据收集到的声学数据,快速生成环境的粗略三维轮廓图。这张地图虽然缺乏视觉细节,却拥有准确的空间尺度信息:哪里有巨石、哪里有箱体、它们距离机器人多远,都能够被标注出来。

    随后进入第二阶段,“光学抵近”。机器人根据声呐地图判断目标位置,安全地向目标靠近。当距离足够近时,水下摄像头开始采集高分辨率图像,并将其送入改进后的 MASt3R 管线进行处理。

    为了保证实时性,系统采用了一种“关键帧”策略。每一帧新图像都会与上一关键帧进行比较,如果包含新的环境信息,就被纳入地图;如果内容变化不大,则直接丢弃。这样既减少了冗余计算,也让整个建图过程能够持续实时运行。

    为了验证这一思路是否有效,研究团队在 WHOI 的水箱设施中搭建了一套可控实验环境。研究人员在水箱中放置了一块小型岩石、一个咖啡杯和一个包装箱等目标物体,并通过不断搅动沉积物,制造出 8 种不同程度的浑浊环境。结果显示,在所有浊度条件下,Sonar-MASt3R 的三维建图精度和分辨率都优于此前的光学-声学融合方法,能够识别厘米级别的细节。


    (来源:论文)

    结果显示,即便是在最极端的浑浊条件下,此时光学摄像头已经几乎完全失效,声呐仍然能够勾勒出隐藏物体的大致轮廓。这张粗略地图足以引导机械臂穿过浑浊水域,安全接近目标,再利用近距离拍摄获得清晰的视觉信息。

    Camilli 用了一个比喻来解释这个实验的难度:“这就像让你走进一间漆黑的瓷器店,要在不打碎任何东西的情况下,找到一个特定的杯子。”

    有趣的是,研究团队认为,他们验证算法的水箱环境其实比真实海洋更加苛刻。在封闭水箱中,声波会不断在四壁之间反射,产生大量混响、畸变和“鬼影”,就像在一个巨大的回声室里工作。

    这些额外信号会让声呐数据变得更加复杂。而在开放海域中,声波能够向更远处扩散,多径反射反而会少得多。如果 Sonar-MASt3R 能够在这种“困难模式”下稳定运行,那么进入真实海洋后,它的表现理论上只会更好。

    不过,Sonar-MASt3R 距离真正的大规模应用,还有很长的路要走。接下来,Phung 团队计划将系统带出实验室,在真实水域开展进一步测试,让它经历复杂海况、洋流干扰以及长时间连续运行的考验。

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    硬件相关 机器人
    相关文章 更多
    AI Agent、Genie 4与机器人有什么区别?从任务输入到场景演示
    AI Agent、Genie 4与机器人有什么区别?从任务输入到场景演示

    认识AI Agent、Genie 4与机器人的区别:任务输入不等于完成结果,世界模拟不等于现实执行,装载机动作展示也不能替代完整工程验收。

    贾跃亭的FF机器人亮相CBS、引爆街头:借势世界杯“轻巧破圈”
    贾跃亭的FF机器人亮相CBS、引爆街头:借势世界杯“轻巧破圈”

    法拉第未来EAI机器人亮相洛杉矶世界杯庆典,被CBS报道,实现零广告费破圈。目前推出三大系列机器人,截至5月累计交付137台,年度目标上调至1500台。近期获7000万美元融资,将发布机器人教育生态战略,加速物理AI领域布局。

    启元机器人加速线下布局:亚洲首店落子深圳,上海全球首店同步筹备
    启元机器人加速线下布局:亚洲首店落子深圳,上海全球首店同步筹备

    启元机器人加速线下布局,亚洲首店已在深圳卓悦中心设围挡,上海全球首店同步筹备,西安等地也在推进中。作为上纬新材在消费级具身智能领域的核心载体,其聚焦个人机器人赛道,研发投入同比增长超500%。

    【城事】001,世界会客厅首位机器人员工上岗
    【城事】001,世界会客厅首位机器人员工上岗

    6月16日,世界会客厅迎来首位智能导览员——编号001的人形机器人正式上岗。它身高约1.7米,通体银白,可提供多语种讲解、智能引导与互动问答,致力于提升智慧化参观体验。同日,世界会客厅举办了年度品牌日暨首秀5周年纪念活动。

    300名截肢患者,正在变成机器人的触觉训练师
    300名截肢患者,正在变成机器人的触觉训练师

    约300名截肢患者日常使用仿生手产生的触觉与运动数据,被PSYONIC用于机器人灵巧手训练,通过“真实到真实”迁移绕过仿真环节,将人类操控经验直接迁移至机器人。已与ABB、NVIDIA合作探索汽车制造等工业场景,但数据规模与可靠性仍需验证。

    香港中文大学、上交大联合研究团队让机器人
    香港中文大学、上交大联合研究团队让机器人"看"懂人类双手动作

    ACE-Ego-0框架将人类双手视频与机器人数据统一到头部摄像头坐标系,通过形态条件化和可靠性加权损失处理结构差异与噪声。在超6000小时数据上预训练,于仿真和真实双臂机器人测试中刷新多项基准,平均成功率72.8%,真实任务达78.3%。

    暑期回国研学新选择:北上深杭科技之旅,让孩子边玩边学收获满满
    暑期回国研学新选择:北上深杭科技之旅,让孩子边玩边学收获满满

    暑期科技研学聚焦北京、上海、深圳、杭州,项目涵盖京东智能物流、小米汽车工厂、火箭制造、3D打印、机器人、无人机、航天及大飞机总装等,让孩子深入体验智能制造,实现沉浸式职业启蒙。

    顺丰同城机器人末端运力上线 助力肯德基“车速取”体验升级
    顺丰同城机器人末端运力上线 助力肯德基“车速取”体验升级

    顺丰同城上线机器人末端运力,与肯德基“车速取”合作,实现即停即取。机器人独立承担门店与路边取餐点间短途接驳,替代店员跑腿,推动无人物流从室内走向室外场景,拓宽服务半径。

    活力中国调研行|在智造一线,看机器人“结”新硕果
    活力中国调研行|在智造一线,看机器人“结”新硕果

    天津机器人产业加速爆发,水下助推器、高速分拣并联机器人及人形取货机器人等应用场景涌现。智能机器人已列重点产业链,前4个月规上企业产值同比增长12.8%,产业生态逐步构建。

    国家医保局:为“远程手术”等辅助操作统一价格立项
    国家医保局:为“远程手术”等辅助操作统一价格立项

    国家医保局发布指南,为3D打印、手术机器人、远程手术等辅助操作统一价格立项,按技术精度分类定价,鼓励用于高难度手术。机械臂耗材费用纳入定价,降低患者支出;首次设立远程手术辅助操作费;要求医疗数据及设备日志本地存储并实时上传,否则核减价格。

    查看更多
    精品专题 更多
    装机必备
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows
    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程
    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    Mac软件 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    Aperty macOS版
    Aperty macOS版
    macOS

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    WINDOWS 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    PixTV 网页版
    PixTV 网页版
    Windows

    PixTV 是一款在浏览器中使用的 AI 视觉内容创作平台,提供图片、视频、音频、文字生成、AI 分镜、局部重绘、提示词反推和无限画布等工具,适合短剧、漫剧、广告及社交媒体内容制作。