Exploring Task-agnostic, ShapeNet-based Object Recognition for Mobile Robots

This position paper presents an attempt to improve the scalability of existing object recognition methods, which largely rely on supervision and imply a huge availability of manually-labelled data points. Moreover, in the context of mobile robotics, data sets and experimental settings are often handcrafted based on the specific task the object recognition is aimed at, e.g. object grasping. In this work, we argue instead that publicly available open data such as ShapeNet can be used for object classification first, and then to link objects to their related concepts, leading to task-agnostic knowledge acquisition practices. To this aim, we evaluated five pipelines for object recognition, where target classes were all entities collected from ShapeNet and matching was based on: (i) shape-only features, (ii) RGB histogram comparison, (iii) a combination of shape and colour matching, (iv) image feature descriptors, and (v) inexact, normalised cross-correlation, resembling the Deep, Siamese-like NN architecture of Submariam et al. (2016). We discussed the relative impact of shape-derived and colour-derived features, as well as suitability of all tested solutions for future application to real-life use cases

Task-Agnostic Object Recognition for Mobile Robots through Few-Shot Image Matching

To assist humans with their daily tasks, mobile robots are expected to navigate complex and dynamic environments, presenting unpredictable combinations of known and unknown objects. Most state-of-the-art object recognition methods are unsuitable for this scenario because they require that: (i) all target object classes are known beforehand, and (ii) a vast number of training examples is provided for each class. This evidence calls for novel methods to handle unknown object classes, for which fewer images are initially available (few-shot recognition). One way of tackling the problem is learning how to match novel objects to their most similar supporting example. Here, we compare different (shallow and deep) approaches to few-shot image matching on a novel data set, consisting of 2D views of common object types drawn from a combination of ShapeNet and Google. First, we assess if the similarity of objects learned from a combination of ShapeNet and Google can scale up to new object classes, i.e., categories unseen at training time. Furthermore, we show how normalising the learned embeddings can impact the generalisation abilities of the tested methods, in the context of two novel configurations: (i) where the weights of a Convolutional two-branch Network are imprinted and (ii) where the embeddings of a Convolutional Siamese Network are L2-normalised

On discovering and learning structure under limited supervision

Les formes, les surfaces, les événements et les objets (vivants et non vivants) constituent le monde. L'intelligence des agents naturels, tels que les humains, va au-delà de la simple reconnaissance de formes. Nous excellons à construire des représentations et à distiller des connaissances pour comprendre et déduire la structure du monde. Spécifiquement, le développement de telles capacités de raisonnement peut se produire même avec une supervision limitée. D'autre part, malgré son développement phénoménal, les succès majeurs de l'apprentissage automatique, en particulier des modèles d'apprentissage profond, se situent principalement dans les tâches qui ont accès à de grands ensembles de données annotées. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles solutions pour aider à combler cette lacune en permettant aux modèles d'apprentissage automatique d'apprendre la structure et de permettre un raisonnement efficace en présence de tâches faiblement supervisés. Le thème récurrent de la thèse tente de s'articuler autour de la question « Comment un système perceptif peut-il apprendre à organiser des informations sensorielles en connaissances utiles sous une supervision limitée ? » Et il aborde les thèmes de la géométrie, de la composition et des associations dans quatre articles distincts avec des applications à la vision par ordinateur (CV) et à l'apprentissage par renforcement (RL). Notre première contribution ---Pix2Shape---présente une approche basée sur l'analyse par synthèse pour la perception. Pix2Shape exploite des modèles génératifs probabilistes pour apprendre des représentations 3D à partir d'images 2D uniques. Le formalisme qui en résulte nous offre une nouvelle façon de distiller l'information d'une scène ainsi qu'une représentation puissantes des images. Nous y parvenons en augmentant l'apprentissage profond non supervisé avec des biais inductifs basés sur la physique pour décomposer la structure causale des images en géométrie, orientation, pose, réflectance et éclairage. Notre deuxième contribution ---MILe--- aborde les problèmes d'ambiguïté dans les ensembles de données à label unique tels que ImageNet. Il est souvent inapproprié de décrire une image avec un seul label lorsqu'il est composé de plus d'un objet proéminent. Nous montrons que l'intégration d'idées issues de la littérature linguistique cognitive et l'imposition de biais inductifs appropriés aident à distiller de multiples descriptions possibles à l'aide d'ensembles de données aussi faiblement étiquetés. Ensuite, nous passons au paradigme d'apprentissage par renforcement, et considérons un agent interagissant avec son environnement sans signal de récompense. Notre troisième contribution ---HaC--- est une approche non supervisée basée sur la curiosité pour apprendre les associations entre les modalités visuelles et tactiles. Cela aide l'agent à explorer l'environnement de manière autonome et à utiliser davantage ses connaissances pour s'adapter aux tâches en aval. La supervision dense des récompenses n'est pas toujours disponible (ou n'est pas facile à concevoir), dans de tels cas, une exploration efficace est utile pour générer un comportement significatif de manière auto-supervisée. Pour notre contribution finale, nous abordons l'information limitée contenue dans les représentations obtenues par des agents RL non supervisés. Ceci peut avoir un effet néfaste sur la performance des agents lorsque leur perception est basée sur des images de haute dimension. Notre approche a base de modèles combine l'exploration et la planification sans récompense pour affiner efficacement les modèles pré-formés non supervisés, obtenant des résultats comparables à un agent entraîné spécifiquement sur ces tâches. Il s'agit d'une étape vers la création d'agents capables de généraliser rapidement à plusieurs tâches en utilisant uniquement des images comme perception.Shapes, surfaces, events, and objects (living and non-living) constitute the world. The intelligence of natural agents, such as humans is beyond pattern recognition. We excel at building representations and distilling knowledge to understand and infer the structure of the world. Critically, the development of such reasoning capabilities can occur even with limited supervision. On the other hand, despite its phenomenal development, the major successes of machine learning, in particular, deep learning models are primarily in tasks that have access to large annotated datasets. In this dissertation, we propose novel solutions to help address this gap by enabling machine learning models to learn the structure and enable effective reasoning in the presence of weakly supervised settings. The recurring theme of the thesis tries to revolve around the question of "How can a perceptual system learn to organize sensory information into useful knowledge under limited supervision?" And it discusses the themes of geometry, compositions, and associations in four separate articles with applications to computer vision (CV) and reinforcement learning (RL). Our first contribution ---Pix2Shape---presents an analysis-by-synthesis based approach(also referred to as inverse graphics) for perception. Pix2Shape leverages probabilistic generative models to learn 3D-aware representations from single 2D images. The resulting formalism allows us to perform a novel view synthesis of a scene and produce powerful representations of images. We achieve this by augmenting unsupervised learning with physically based inductive biases to decompose a scene structure into geometry, pose, reflectance and lighting. Our Second contribution ---MILe--- addresses the ambiguity issues in single-labeled datasets such as ImageNet. It is often inappropriate to describe an image with a single label when it is composed of more than one prominent object. We show that integrating ideas from Cognitive linguistic literature and imposing appropriate inductive biases helps in distilling multiple possible descriptions using such weakly labeled datasets. Next, moving into the RL setting, we consider an agent interacting with its environment without a reward signal. Our third Contribution ---HaC--- is a curiosity based unsupervised approach to learning associations between visual and tactile modalities. This aids the agent to explore the environment in an analogous self-guided fashion and further use this knowledge to adapt to downstream tasks. In the absence of reward supervision, intrinsic movitivation is useful to generate meaningful behavior in a self-supervised manner. In our final contribution, we address the representation learning bottleneck in unsupervised RL agents that has detrimental effect on the performance on high-dimensional pixel based inputs. Our model-based approach combines reward-free exploration and planning to efficiently fine-tune unsupervised pre-trained models, achieving comparable results to task-specific baselines. This is a step towards building agents that can generalize quickly on more than a single task using image inputs alone

Embodied learning for visual recognition

The field of visual recognition in recent years has come to rely on large expensively curated and manually labeled "bags of disembodied images". In the wake of this, my focus has been on understanding and exploiting alternate "free" sources of supervision available to visual learning agents that are situated within real environments. For example, even simply moving from orderless image collections to continuous visual observations offers opportunities to understand the dynamics and other physical properties of the visual world. Further, embodied agents may have the abilities to move around their environment and/or effect changes within it, in which case these abilities offer new means to acquire useful supervision. In this dissertation, I present my work along this and related directions.Electrical and Computer Engineerin

Differentiable world programs

L'intelligence artificielle (IA) moderne a ouvert de nouvelles perspectives prometteuses pour la création de robots intelligents. En particulier, les architectures d'apprentissage basées sur le gradient (réseaux neuronaux profonds) ont considérablement amélioré la compréhension des scènes 3D en termes de perception, de raisonnement et d'action. Cependant, ces progrès ont affaibli l'attrait de nombreuses techniques ``classiques'' développées au cours des dernières décennies. Nous postulons qu'un mélange de méthodes ``classiques'' et ``apprises'' est la voie la plus prometteuse pour développer des modèles du monde flexibles, interprétables et exploitables : une nécessité pour les agents intelligents incorporés. La question centrale de cette thèse est : ``Quelle est la manière idéale de combiner les techniques classiques avec des architectures d'apprentissage basées sur le gradient pour une compréhension riche du monde 3D ?''. Cette vision ouvre la voie à une multitude d'applications qui ont un impact fondamental sur la façon dont les agents physiques perçoivent et interagissent avec leur environnement. Cette thèse, appelée ``programmes différentiables pour modèler l'environnement'', unifie les efforts de plusieurs domaines étroitement liés mais actuellement disjoints, notamment la robotique, la vision par ordinateur, l'infographie et l'IA. Ma première contribution---gradSLAM--- est un système de localisation et de cartographie simultanées (SLAM) dense et entièrement différentiable. En permettant le calcul du gradient à travers des composants autrement non différentiables tels que l'optimisation non linéaire par moindres carrés, le raycasting, l'odométrie visuelle et la cartographie dense, gradSLAM ouvre de nouvelles voies pour intégrer la reconstruction 3D classique et l'apprentissage profond. Ma deuxième contribution - taskography - propose une sparsification conditionnée par la tâche de grandes scènes 3D encodées sous forme de graphes de scènes 3D. Cela permet aux planificateurs classiques d'égaler (et de surpasser) les planificateurs de pointe basés sur l'apprentissage en concentrant le calcul sur les attributs de la scène pertinents pour la tâche. Ma troisième et dernière contribution---gradSim--- est un simulateur entièrement différentiable qui combine des moteurs physiques et graphiques différentiables pour permettre l'estimation des paramètres physiques et le contrôle visuomoteur, uniquement à partir de vidéos ou d'une image fixe.Modern artificial intelligence (AI) has created exciting new opportunities for building intelligent robots. In particular, gradient-based learning architectures (deep neural networks) have tremendously improved 3D scene understanding in terms of perception, reasoning, and action. However, these advancements have undermined many ``classical'' techniques developed over the last few decades. We postulate that a blend of ``classical'' and ``learned'' methods is the most promising path to developing flexible, interpretable, and actionable models of the world: a necessity for intelligent embodied agents. ``What is the ideal way to combine classical techniques with gradient-based learning architectures for a rich understanding of the 3D world?'' is the central question in this dissertation. This understanding enables a multitude of applications that fundamentally impact how embodied agents perceive and interact with their environment. This dissertation, dubbed ``differentiable world programs'', unifies efforts from multiple closely-related but currently-disjoint fields including robotics, computer vision, computer graphics, and AI. Our first contribution---gradSLAM---is a fully differentiable dense simultaneous localization and mapping (SLAM) system. By enabling gradient computation through otherwise non-differentiable components such as nonlinear least squares optimization, ray casting, visual odometry, and dense mapping, gradSLAM opens up new avenues for integrating classical 3D reconstruction and deep learning. Our second contribution---taskography---proposes a task-conditioned sparsification of large 3D scenes encoded as 3D scene graphs. This enables classical planners to match (and surpass) state-of-the-art learning-based planners by focusing computation on task-relevant scene attributes. Our third and final contribution---gradSim---is a fully differentiable simulator that composes differentiable physics and graphics engines to enable physical parameter estimation and visuomotor control, solely from videos or a still image

Indoor Scene Understanding using Non-Conventional Cameras

Los seres humanos comprendemos los entornos que nos rodean sin esfuerzo y bajo una amplia variedad de condiciones, lo cual es debido principalmente a nuestra percepción visual. Desarrollar algoritmos de Computer Vision que logren una comprensión visual similar es muy deseable, para permitir que las máquinas puedan realizar tareas complejas e interactuar con el mundo real, con el principal objectivo de ayudar y entretener a los seres humanos. En esta tesis, estamos especialmente interesados en los problemas que surgen durante la búsqueda de la comprensión visual de espacios interiores, ya que es dónde los seres humanos pasamos la mayor parte de nuestro tiempo, así como en la búsqueda del sensor más adecuado para logar dicha comprensión. Con respecto a los sensores, en este trabajo proponemos utilizar cámaras no convencionales, en concreto imágenes panorámicas y sensores 3D. Con respecto a la comprensión de interiores, nos centramos en tres aspectos clave: estimación del diseño 3D de la escena (distribución de paredes, techo y suelo); detección, localización y segmentación de objetos; y modelado de objetos por categoría, para los que se proporcionan soluciones novedosas y eficientes. El enfoque de la tesis se centra en los siguientes desafíos subyacentes. En primer lugar, investigamos métodos de reconstrucción 3D de habitaciones a partir de una única imagen de 360, utilizado para lograr el nivel más alto de modelado y comprensión de la escena. Para ello combinamos ideas tradicionales, como la asunción del mundo Manhattan por la cual la escena se puede definir en base a tres direcciones principales ortogonales entre si, con técnicas de aprendizaje profundo, que nos permiten estimar probabilidades en la imagen a nivel de pixel para detectar los elementos estructurales de la habitación. Los modelos propuestos nos permiten estimar correctamente incluso partes de la habitación no visibles en la imágen, logrando reconstrucciones fieles a la realidad y generalizando por tanto a modelos de escena más complejos. Al mismo tiempo, se proponen nuevos métodos para trabajar con imágenes panorámicas, destacando la propuesta de una convolución especial que deforma el kernel para compensar las distorsiones de la proyección equirrectangular propia de dichas imágenes.En segundo lugar, considerando la importancia del contexto para la comprensión de la escena, estudiamos el problema de la localización y segmentación de objetos, adaptando el problema para aprovechar todo el potencial de las imágenes de $360^\circ$. También aprovechamos la interacción escena-objetos para elevar las detecciones 2D en la imagen de los objetos al modelo 3D de la habitación.La última línea de trabajo de esta tesis se centra en el análisis de la forma de los objetos directamente en 3D, trabajando con nubes de puntos. Para ello proponemos utilizar un modelado explícito de la deformación de los objetos e incluir una noción de la simetría de estos para aprender, de manera no supervisada, puntos clave de la geometría de los objetos que sean representativos de los mismos. Dichos puntos estan en correspondencia, tanto geométrica como semántica, entre todos los objetos de una misma categoría.Nuestros modelos avanzan el estado del arte en las tareas antes mencionadas, siendo evaluados cada uno de ellos en varios datasets y en los benchmarks correspondientes.<br /