Понимание обнаружения 3D-объектов и их применения

С годами обнаружение объектов становится все более совершенным. От распознавания объектов на простых двумерных (2D) изображениях до идентификации объектов в сложном трехмерном (3D) мире вокруг нас. Ранние методы, такие как сопоставление шаблонов, предполагающие поиск объектов путем сравнения частей изображения с сохраненными эталонными изображениями, были разработаны в 1970-х годах и стали основой для обнаружения двумерных объектов. В 1990-х годах появление таких технологий, как LIDAR (Light Detection and Ranging), позволило системам легче улавливать глубину и пространственную информацию. Сегодня методы мультимодального слияния, объединяющие 2D-изображения и 3D-данные, проложили путь к созданию высокоточных систем обнаружения 3D-объектов.

‍

В этой статье мы рассмотрим, что такое обнаружение 3D-объектов, как оно работает и чем отличается от обнаружения 2D-объектов. Мы также обсудим некоторые области применения 3D-обнаружения объектов. Давайте начнем!

Обзор обнаружения двумерных объектов

Прежде чем мы рассмотрим обнаружение 3D-объектов, давайте разберемся, как работает обнаружение 2D-объектов. Обнаружение 2D-объектов - это техника компьютерного зрения, которая позволяет компьютерам распознавать и находить объекты на плоских двухмерных изображениях. Она работает путем анализа горизонтального (X) и вертикального (Y) положения объекта на изображении. Например, если передать изображение игроков на футбольном поле в модель обнаружения 2D-объектов, такую как Ultralytics YOLOv8, она сможет проанализировать изображение и нарисовать ограничительные рамки вокруг каждого объекта (в данном случае игроков), точно определив их местоположение.

‍

Однако обнаружение двумерных объектов имеет свои ограничения. Поскольку он учитывает только два измерения, он не понимает глубину. Это может затруднить определение расстояния до объекта или его размера. Например, большой объект вдалеке может казаться такого же размера, как и объект меньшего размера, который находится ближе, что может сбить с толку. Отсутствие информации о глубине может стать причиной неточностей в таких приложениях, как робототехника или дополненная реальность, где необходимо знать истинный размер и расстояние до объектов. Именно здесь и возникает необходимость в 3D-обнаружении объектов.

Получение пространственной осведомленности с помощью обнаружения 3D-объектов

Обнаружение 3D-объектов - это передовая техника компьютерного зрения, которая позволяет компьютерам идентифицировать объекты в трехмерном пространстве, что дает им гораздо более глубокое понимание окружающего мира. В отличие от 2D-обнаружения объектов, 3D-обнаружение объектов также учитывает данные о глубине. Информация о глубине содержит больше деталей, таких как местонахождение объекта, его размер, расстояние до него и его расположение в реальном трехмерном мире. Интересно, что 3D-обнаружение также лучше справляется с ситуациями, когда один объект частично скрывает другой (окклюзии), и остается надежным даже при изменении перспективы. Это мощный инструмент для тех случаев, когда требуется точная пространственная осведомленность.

Обнаружение 3D-объектов необходимо для таких приложений, как самоуправляемые автомобили, робототехника и системы дополненной реальности. Для этого используются такие датчики, как LiDAR или стереокамеры. Эти датчики создают подробные 3D-карты окружающей среды, известные как облака точек или карты глубины. Затем эти карты анализируются для обнаружения объектов в 3D-среде.

‍

Существует множество продвинутых моделей компьютерного зрения, разработанных специально для работы с 3D-данными, такими как облака точек. Например, VoteNet - это модель, которая использует метод голосования Хофа для предсказания местоположения центра объекта в облаке точек, что облегчает обнаружение и точную классификацию объектов. Аналогично, VoxelNet - это модель, которая преобразует облака точек в сетку маленьких кубиков, называемых вокселями, чтобы упростить анализ данных.

Основные различия между обнаружением 2D и 3D объектов

Теперь, когда мы разобрались с обнаружением 2D- и 3D-объектов, давайте рассмотрим их ключевые различия. Обнаружение 3D-объектов сложнее, чем обнаружение 2D-объектов, поскольку работает с облаками точек. Для анализа 3D-данных, таких как облака точек, генерируемые LiDAR, требуется гораздо больше памяти и вычислительной мощности. Еще одно отличие заключается в сложности алгоритмов. Модели обнаружения 3D-объектов должны быть более сложными, чтобы справиться с оценкой глубины, анализом 3D-формы и ориентации объекта. 

‍

Модели обнаружения 3D-объектов требуют более сложной математической и вычислительной работы, чем модели обнаружения 2D-объектов. Обработка 3D-данных в режиме реального времени может быть сложной без использования современного оборудования и оптимизаций. Однако эти различия делают обнаружение 3D-объектов более подходящим для приложений, требующих лучшего пространственного понимания. С другой стороны, 2D-обнаружение объектов часто используется в более простых приложениях, например в системах безопасности, где требуется распознавание изображений или анализ видео. 

Плюсы и минусы обнаружения 3D-объектов

Обнаружение 3D-объектов обладает рядом преимуществ, которые выгодно отличают его от традиционных методов обнаружения 2D-объектов. Захватывая все три измерения объекта, он позволяет получить точные сведения о его местоположении, размере и ориентации относительно реального мира. Такая точность крайне важна для таких приложений, как самоуправляемые автомобили, где знание точного положения препятствий жизненно необходимо для обеспечения безопасности. Еще одно преимущество использования 3D-обнаружения объектов заключается в том, что оно помогает лучше понять, как различные объекты соотносятся друг с другом в трехмерном пространстве. 

‍

Несмотря на многочисленные преимущества, существуют и ограничения, связанные с обнаружением 3D-объектов. Вот некоторые из основных проблем, о которых следует помнить:

• Более высокие вычислительные затраты: Работа с 3D-данными требует более мощных аппаратных ресурсов, и затраты могут быстро увеличиться.
  ‍
• Более сложные требования к данным: Для обнаружения 3D-объектов часто используются современные датчики, такие как LiDAR, которые могут быть дорогими и не всегда доступны в любых условиях.
  ‍
• Сбор и обработка данных: Сложные требования к данным при обнаружении 3D-объектов делают сбор, подготовку и обработку больших массивов данных, необходимых для обучения моделей, трудоемкими и ресурсоемкими.
  ‍
• Повышенная сложность модели: Модели, используемые для обнаружения 3D-объектов, обычно более сложные, с большим количеством слоев и параметров, чем модели, используемые для обнаружения 2D-объектов. 

Области применения обнаружения 3D-объектов

Теперь, когда мы обсудили плюсы и минусы обнаружения 3D-объектов, давайте рассмотрим некоторые варианты их использования.

Автономные транспортные средства

В самоуправляемых автомобилях обнаружение 3D-объектов необходимо для восприятия окружающего пространства. Оно позволяет обнаруживать пешеходов, другие автомобили и препятствия. Оно также предоставляет точную информацию об их положении, размере и ориентации в реальном мире. Подробные данные, полученные с помощью систем обнаружения 3D-объектов, помогают повысить безопасность самостоятельного вождения для пассажиров, находящихся на борту автомобиля. 

‍

Робототехника

Роботизированные системы используют 3D-обнаружение объектов для решения нескольких задач. С их помощью они перемещаются по различным типам сред, берут и размещают объекты, а также взаимодействуют с окружающей средой. Такие задачи особенно важны в динамичных условиях, например на складах или производственных предприятиях, где роботам для эффективной работы необходимо понимать трехмерную планировку. 

‍

Дополненная и виртуальная реальность (AR/VR)

Еще один интересный вариант использования 3D-обнаружения объектов - приложения дополненной и виртуальной реальности. Обнаружение 3D-объектов используется для точного размещения виртуальных объектов в реалистичной среде VR или AR. Это повышает общий пользовательский эффект от использования таких технологий. Это также позволяет системам VR/AR распознавать и отслеживать физические объекты, создавая иммерсивную среду, в которой цифровые и физические элементы легко взаимодействуют. Например, геймеры , использующие AR/VR-гарнитуры, могут получить гораздо больше впечатлений от погружения с помощью 3D-обнаружения объектов. Это делает взаимодействие с виртуальными объектами в 3D-пространстве гораздо более увлекательным.

‍

Заключительные мысли об обнаружении 3D-объектов

Обнаружение 3D-объектов позволяет системам понимать глубину и пространство более эффективно, чем методы обнаружения 2D-объектов. Оно играет ключевую роль в таких приложениях, как самоуправляемые автомобили, роботы и AR/VR, где важно знать размер, расстояние и положение объекта. Хотя обнаружение 3D-объектов требует большей вычислительной мощности и сложных данных, его способность предоставлять точную и подробную информацию делает его очень ценным инструментом во многих областях. По мере развития технологий эффективность и доступность 3D-обнаружения объектов будет повышаться, что откроет путь к еще более широкому внедрению и инновациям в различных отраслях.

Оставайтесь с нашим сообществом, чтобы быть в курсе последних достижений в области ИИ! Посетите наш репозиторий GitHub, чтобы узнать, как мы используем ИИ для создания передовых решений в таких отраслях, как производство и здравоохранение. 🚀