让机器理解三维世界，「商汤科技」畅想人工智能3D视觉技术的未来
本文作者：
王子彬，商汤科技移动智能事业群副总裁、智能终端业务CTO
李启铭，商汤科技智能终端业务3D产品负责人
***
在上世纪70年代，工业界开始运用3D视觉技术测量和扫描物件，提高生产效率。最近10多年，家用游戏机厂商将3D体感外设带入大众视野，带来了新奇的体感游戏。近三年，越来越多的智能手机开始配备3D传感器，并在AI的加持下，开拓出了更多更具想象空间的应用场景。未来10年，AI+3D将无处不在，给我们的生活和工作带来深远影响。
赋予机器感知三维世界的“眼睛”
人类拥有与生俱来的3D环境感知和理解能力，这是因为我们用两只眼睛来捕捉图像，通过大脑处理形成立体视觉，从而辨认物体的形状方位、他人的动作，轻松自然地跟这个三维世界交互。
能否让机器也能感知三维世界呢？或许很多人会想到给机器添加一颗摄像头。但普通RGB摄像头拍摄的现实世界的影像，仅能采集场景中的色彩信息，无法采集物体和摄像头之间的距离和方位。也就是说，无论场景中的三维结构有多么丰富，对机器来说都是一个平面，一个二维世界。
3D视觉技术，就是赋予机器感知三维世界的信息和能力，并给我们带来颠覆性的价值。试想一下，将汽车立体模型通过增强现实（AR）技术投射出来，客户可360度观看，还能“开车门”，由此直观地提出意见，而不是一张张翻看照片；或者派无人机探索森林或洞穴，一边前行一边绘制周边场景的三维地形，而不是我们拿着一张平面地图亲自探险……
事实上，3D视觉技术目前已经在工业界取得成功，但在消费领域，受限于3D感知硬件的成本和体积、计算能力等困扰，很多场景并未激活。除了扫地机器人等个别终端外，我们的智能手机等移动设备，还处在二维世界里。但近几年，3D视觉技术终于开始走向个人终端，机器认知世界的新大门正在打开。
3D感知硬件小型化，ToF渐成主流
实现3D视觉能力，3D感知硬件的加持至关重要。目前主流的3D感知硬件技术包括双目视觉、结构光、ToF（飞行时间）以及激光雷达。
双目视觉系统是通过双摄像头同时进行成像，然后通过对比两个图像中每个像素点的相对位置差，来计算出该像素点在三维环境中的位置，类似于人双眼的工作原理。
结构光和ToF则能在RGB的基础上直接提供深度信息，属于RGB-D方案，在精度上比双目视觉更胜一筹。其中，结构光是通过投射大量光斑到物体上，然后根据光斑的形变量来判断其所处深度；ToF则是向物体发射连续的光脉冲信号，并接收返回的信号，通过计算信号发射和返回的时间来计算深度信息。相比之下，结构光在较短距离内拥有更高精度，而ToF支持的工作距离更长，适用于更加多元化的场景，且传感器模块少，体积小。
激光雷达的原理与ToF类似，但其感知距离更远，范围更大，精度也更高。很多自动驾驶汽车通过激光雷达来感知周围环境，不过缺点是成本过于高昂，只适用于特定场景。
在最近的三年，我们观察到的一个显著趋势是ToF和结构光的小型化，使得它成功地应用到了手机当中。而ToF以其体积更小、适用场景更广等优势，逐渐受到更多厂商青睐，很多最新的旗舰手机都将ToF作为一大卖点。据统计，2019年有约5000万台配备ToF的手机出货，业内预计2020年、2021年将分别达到1.5亿和5亿台，逐渐呈现出爆发态势，2020年全球智能手机3D感知硬件市场的规模也将到达99.25亿美元。
ToF在智能手机上的加速应用，有助于3D视觉技术的广泛普及化，成为接下来10年中非常重要的科技趋势。深入地触达消费市场，也激活了更多的应用创新可能。
AI技术，突破3D视觉技术的难点
3D感知硬件能够提供距离、深度等数据信息，但我们要的并不是单纯的数据，而是基于这些数据，通过不同的表达和理解方式，实现不同的应用。比如对三维场景进行数字化建模，或者绘制三维地图，从而让机器能够实时感知自己在所处空间中的位置，以便在运动时及时避开障碍物等。这需要根据深度信息生成深度图像，并与RGB图像，甚至是红外图像进行融合并完成大量计算。
但是，通过硬件感知的信息生成的深度图像，往往存在因硬件性能限制而产生的瑕疵，例如在细小或复杂交错的物体之间，出现深度信息估计错误等问题。此外，精准度、鲁棒性、实时性、效率等都是决定实际应用效果的关键。这都需要依靠额外的算法进行实时处理予以弥补和增强。
在工业场景中，由于应用相对单一，且3D感知硬件大多处于固定或平稳状态，很多难题可以通过编写特定算法加以解决。但在移动终端上，不规则的抖动、晃动等情况带来的难以预估的挑战，传统算法难以突破。
2012年，AI在计算机视觉领域取得突破，给3D视觉技术发展也带来了全新思路。AI可通过对大量实际数据进行学习，自行总结其中的规律和特征。这种方法可以在短时间内，完成传统算法需要多年才能突破的问题，有效弥补硬件能力的不足。
更为重要的是，AI不仅能感知场景中的三维结构，还能识别出场景中的三维物体是什么，在做什么。例如检测人、物体，识别人的姿态，跟踪物体的运行轨迹……这就进一步敞开了机器认知世界的新大门。
在我们看来，3D硬件的小型化，是3D视觉技术应用场景拓展和创新的硬件基础，而AI技术则是真正的动力引擎。两者密不可分，可以说，AI+3D视觉技术拐点已至。
AI+3D，紧密协作实现完美空间感知
目前，商汤科技已经将AI技术广泛地应用于3D感知的各个领域，开发了基于ToF等3D感知硬件的技术与产品，包括人脸与人体3D重建、物体重建、3D全身关键点跟踪、3D Avatar驱动工具、AR测量、AR场景互动、AR导航、3D人脸认证、3D摄影等等，均体现了AI+3D的显著优势。
首先，AI+3D可以进一步优化感知效果，提升用户体验。以动作捕捉为例，结合对深度信息的高效处理，能够整体提升肢体关键点的稳定性、准确性以及运动的稳定性和自然度，精准呈现人在三维空间中的动作姿态变化；
第二，AI+3D可以更加高效地应用和处理深度信息，理解环境中人物间的相互关系。例如为AR带来逼真的虚实融合和互动效果，在智能手机上完成高精度3D模型建模，或是为自动驾驶提供车外的人、车、物的识别和距离感知。
第三，AI+3D可以更加精准地分割图像中的主体和背景。特别是在主体和背景颜色比较相近的情况下，得益于对深度信息的快速处理，在分割效果上比2D感知技术有很大的提升，可提供不同人物之间的语义信息，亦可结合3D相机系统带来更逼近单反的摄影效果；
第四，深度信息与红外图像的结合，可以让3D感知适用于更多的场景，使之不受环境光线明暗的影响。
基于上述优势，我们认为，AI+3D会从人机交互、互动娱乐、内容创作、身份验证、拍照、电商等层面激发大量的创新应用场景，甚至改变很多传统行业的运作模式。
AI+3D，激活更多创新的应用场景
随着越来越多的智能手机配备3D感知硬件，AI算法的作用也越加凸显，只有两者的紧密协作，才能够将完美的影像体验带给最终用户，缺一不可。为此，商汤科技一直积极与合作伙伴携手共进，将AI+3D相关产品和技术充分应用于手机等智能终端当中。
比如，通过AI+3D进行“物品重建”。用户只需拿手机沿着物体360度环绕扫描，就能将其扫描成数字模型，并用于3D打印、3D/AR相册预览、短视频直播内容生成，或植入到游戏、电商商品展示等场景。特别是后者，它可让顾客通过翻转方式查看物品外观，告别翻看照片的麻烦。
除物品重建，还可以“人脸重建”。用户不仅可以体验比2D美颜更加精美的3D美颜功能，还可足不出户轻松地进行虚拟试妆，甚至通过“3D微整形”来模拟整形效果。
AI+3D让手机就能成为体感设备。玩家可低成本地畅玩体感游戏，而内容创作者则借助商汤的Avatar技术打造自己的虚拟形象，例如虚拟主播、虚拟讲解员或者虚拟教师，通过表情、动作进行驱动，这会为互动娱乐、文旅乃至教育打造新的发展模式。
AI+3D也将在很大程度上推动移动AR朝向3D AR方向发展。基于RGBD SLAM可重建真实环境的3D结构，准确将虚拟元素植入到真实环境中，呈现真实的遮挡、碰撞、反弹等效果。
有了3D AR，手机还能摇身一变成为更强大的AR测量尺，实现远超基于2D方案的测量精度，场景覆盖率到初始化耗时，还可以自动检测并测量立体几何物体。
AI+3D也将让3D人脸识别成为更便捷、更安全的解锁或支付方式。
媲美单反的大景深效果一直是手机人像拍照所追求的方向，3D视觉技术可以让人物等主体与背景的过渡效果更加自然、更加精准。而在电商行业，AI+3D可以让AR试妆、AR试衣、AR家居更加逼真，满足多角度充分预览，促成购买行为。
放眼汽车行业，AI+3D技术能够实现更加精准的车外人、车、物识别和距离感知，有力推动自动驾驶的发展。商汤科技也正以“摄像头为主、多传感器融合”的解决方案，研发L4级自动驾驶解决方案。而在泛工业领域，AI+3D可以为机械臂赋予3D感知能力，准确判断物体所处的位置、尺寸、形状等，从而进行精准的抓取，或是进行自动化的品质检测。
《Prediction Machines》一书中曾提到：“当某种基础产品价格大幅下降的时候，才是整个世界发生变化的基础”。3D视觉技术呈现出的也是这样一个趋势。放眼未来，3D视觉技术还有更多创新空间。首先硬件成本的下降使其更加普及，支持的工作距离更远，而AI技术随着表达能力将不断增强，算法模型的小型化等趋势，可让深度信息处理更高效，3D效果更逼真、更稳定，性能更快，同时硬件资源占用率更低。一方面不断优化现有应用的体验，另一方面进一步开拓更多应用可能。
新的10年， AI+3D将成为变革行业发展的全新引擎。
相关推荐
让机器理解三维世界，「商汤科技」畅想人工智能3D视觉技术的未来
潮科技2020 | 商汤科技谈人工智能遥感的未来
从安防市场切入3D视觉，「的卢深视」提供三维全栈技术解决方案
基于机器视觉和图像处理，「深海三维」提供工业三维视觉检测方案
将人工智能融入三维建模引擎，「大势智慧」要用二维图片建设真实世界的三维底图
从黑白，到彩色，再到3D，视觉技术一直在追赶人类的眼睛
IBM 大中华区 CTO 谢东：重新想象“未来AI计算”创新 | 潮科技· 畅想未来
对话商汤科技徐立：AI技术突破非连续性，质变存在偶然性
聚焦工业智能化市场,「微链科技」提供高精度、低成本3D机器人视觉解决方案
李彦宏畅想未来十年：人工智能可以让人获得“永生”
网址: 让机器理解三维世界，「商汤科技」畅想人工智能3D视觉技术的未来 http://m.xishuta.com/newsview16437.html
