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。
项目主页：https://digital-cousins.github.io/
论文地址：https://arxiv.org/abs/2410.07408
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。
- 「L2 Dist.」：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。
左右滑动查看
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
Tianyuan Dai
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。
