ImagineNav：透過場景想像，將視覺語言模型作為具身導航器進行提示

Основные понятия

ImagineNav 是一種基於想像的無地圖導航框架，它利用視覺語言模型 (VLM) 的空間感知和推理能力，透過想像未來視角的圖像並選擇最佳探索方向，來引導機器人在未知環境中找到目標物體。

Аннотация

文獻摘要

本研究論文介紹了一種名為 ImagineNav 的新型無地圖、開放詞彙物件導航方法，該方法利用視覺語言模型 (VLM) 來引導機器人在未知環境中導航至目標物件。

研究目標

• 開發一種無需依賴地圖或預先定義物件列表即可進行物件導航的機器人系統。
• 利用 VLM 的空間感知和常識推理能力來增強導航決策。

方法

ImagineNav 框架的核心是「想像」模組，該模組預測機器人未來可能移動到的位置，並使用新視角合成 (NVS) 模型生成這些位置的視覺觀察結果。然後，將這些想像的觀察結果作為輸入提供給 VLM，VLM 根據預先設計的提示選擇最佳探索方向。然後，機器人執行低級點導航策略以到達指定目標。此過程會重複進行，直到機器人成功找到目標物件。

主要發現

• ImagineNav 在 HM3D 和 HSSD 資料集上的開放詞彙物件導航任務中，其成功率和 SPL 明顯優於現有方法。
• 消融研究表明，想像模組對於提高 VLM 的推理能力至關重要。
• Where2Imagine 模組，透過模仿人類導航行為，在生成合理的未來導航點方面發揮著重要作用。

主要結論

ImagineNav 框架提供了一種新穎且有效的方法，可以透過利用 VLM 的能力來解決無地圖、開放詞彙物件導航的挑戰。想像機制的整合顯著增強了 VLM 的空間推理和決策能力，從而實現了高效且穩健的導航。

意涵

這項研究對機器人領域具有重大意義，特別是在家庭助理機器人和自動駕駛汽車等應用中。ImagineNav 框架為開發能夠在非結構化和動態環境中有效導航的更智慧、更自主的機器人鋪平了道路。

局限性和未來研究

• NVS 模型生成的圖像品質會影響 ImagineNav 的整體性能。
• 未來的工作可以集中於提高視角生成品質和整合歷史記憶，以進一步增強導航性能和穩健性。

Статистика

ImagineNav 在 HM3D 資料集上實現了 53.0% 的成功率和 23.8% 的 SPL。
ImagineNav 在 HSSD 資料集上實現了 51.0% 的成功率和 24.9% 的 SPL。
當使用真實圖像作為 VLM 的輸入時，ImagineNav 在 HM3D 和 HSSD 資料集上的成功率分別提高到 62.0% 和 59.0%。
Where2Imagine 模組的最佳性能是在採樣步長 T 設定為 11 時實現的。
ResNet-18 骨幹網路在 Where2Imagine 模組的相對航點預測和最終導航性能方面表現最佳。
GPT-4o-mini 和 GPT-4-Turbo 在導航性能方面表現相似，並且明顯優於 LLaVa。

Цитаты

"In this work, we try to explore whether it is possible to circumvent the complicated and fragile mapping→translation→planning framework, but develop a visual navigation approach with only raw RGB/RGB-D observations and pre-trained VLMs."
"Our proposed method - ImagineNav seeks to maximize the capabilities of VLMs in multimodal understanding and reasoning, and make the VLMs become an efficient embodied navigation agent."
"By providing the imagined observations as visual prompts to VLM, our ImagineNav offers significant advantages in spatial reasoning and decision-making processes."

Ключевые выводы из

ImagineNav: Prompting Vision-Language Models as Embodied Navigator through Scene Imagination

by Xinxin Zhao,... в arxiv.org 10-15-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.09874.pdf

Дополнительные вопросы

ImagineNav 如何應用於戶外導航或更複雜的環境（例如，具有動態障礙物的環境）？

將 ImagineNav 應用於戶外導航或更複雜的環境面臨以下挑戰：

Where2Imagine 模組的泛化能力: 目前 Where2Imagine 模組的訓練數據主要來自室內環境的人類示範。應用於戶外環境時，需要考慮戶外場景的多樣性（例如，道路、植被、建築等）以及人類在戶外環境中不同的導航習慣，可能需要收集大量的戶外導航數據對模型進行微調或重新訓練。
動態障礙物的處理: ImagineNav 目前主要關注靜態環境，對於動態障礙物缺乏有效的處理機制。可以考慮以下解決方案：

整合動態目標預測模組: 可以將動態目標預測模組整合到 ImagineNav 中，預測動態障礙物的未來軌跡，並將其納入未來視圖的想像中，以便 VLM 在規劃路徑時考慮動態障礙物的影響。
強化學習: 可以利用強化學習訓練 ImagineNav，使其在與動態環境交互的過程中學習如何避開障礙物，並根據環境變化調整導航策略。

NVS 模型的局限性: 目前的 NVS 模型在處理大視角變化或生成複雜場景時仍存在局限性，可能會影響 ImagineNav 在戶外環境中的性能。可以考慮使用更先進的 NVS 模型或探索其他視圖生成方法，例如基於 NeRF 的方法。

總之，將 ImagineNav 應用於戶外導航或更複雜的環境需要解決上述挑戰，包括提高 Where2Imagine 模組的泛化能力、處理動態障礙物以及改進 NVS 模型。

如果 VLM 對想像的觀察結果做出錯誤的推斷，ImagineNav 如何從這些錯誤中學習和恢復？

當 VLM 對想像的觀察結果做出錯誤推斷時，ImagineNav 可以通過以下方式學習和恢復：

收集錯誤信息: 當機器人到達 VLM 選擇的視點後，如果發現與預期不符（例如，沒有找到目標物體，或出現了未預料到的障礙物），則可以將當前觀察結果與 VLM 之前的想像結果進行比較，收集導致錯誤推斷的信息。
反饋機制: 可以建立反饋機制，將錯誤信息反饋給 VLM，幫助其學習和修正錯誤的推斷模式。例如，可以將實際觀察結果與 VLM 想像結果的差異作為反饋信號，利用強化學習算法更新 VLM 的參數，使其在未來做出更準確的判斷。
整合多模態信息: ImagineNav 目前主要依賴視覺信息進行導航。可以考慮整合其他模態的信息，例如語義地圖、機器人自身的運動信息等，為 VLM 提供更豐富的信息，減少其對想像結果的依賴，提高決策的準確性。
引入不確定性估計: 可以讓 VLM 對其自身的預測結果進行不確定性估計，當不確定性較高時，可以採取更保守的策略，例如放慢速度、增加探索範圍等，避免因錯誤推斷導致的導航失敗。

總之，ImagineNav 可以通過收集錯誤信息、建立反饋機制、整合多模態信息以及引入不確定性估計等方式，從 VLM 的錯誤推斷中學習和恢復，提高導航的魯棒性和可靠性。

ImagineNav 的設計理念如何啟發其他領域（例如，自然語言處理或計算機視覺）中基於想像的決策系統的發展？

ImagineNav 的設計理念為其他領域基於想像的決策系統提供了以下啟發：

將複雜任務分解為簡單選擇: ImagineNav 將複雜的導航規劃問題轉化為一系列基於想像的視圖選擇問題，降低了決策的難度。這種思路可以應用於其他需要進行複雜規劃的領域，例如自然語言處理中的文本生成、計算機視覺中的目標跟踪等，將複雜任務分解為一系列基於想像的候選結果選擇，簡化決策過程。
利用預訓練模型的感知和推理能力: ImagineNav 利用預訓練的 VLM 模型進行視覺感知和推理，避免了從頭開始訓練模型的巨大成本。這種思路可以應用於其他需要處理複雜數據的領域，例如利用預訓練的語言模型進行文本摘要、利用預訓練的圖像生成模型進行圖像編輯等，充分利用現有模型的能力，提高效率。
結合想像和真實觀察進行決策: ImagineNav 在決策過程中，不僅依賴於想像的結果，還會結合真實的觀察結果進行調整和修正。這種思路可以應用於其他需要與環境交互的領域，例如機器人操作、自動駕駛等，將想像的結果作為指導，同時根據環境的反饋進行動態調整，提高決策的準確性和魯棒性。

總之，ImagineNav 的設計理念為其他領域基於想像的決策系統提供了新的思路，包括將複雜任務分解為簡單選擇、利用預訓練模型的感知和推理能力以及結合想像和真實觀察進行決策等，有望推動相關領域的發展。