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以物體為中心的幾何感知旨在提取三維物體的幾何屬性。這些屬性包括目標物體的形狀、姿態和運動，能夠對圖形學、計算機視覺和機器人技術中的各種任務進行細粒度的對象級理解。隨著3D幾何數據和3D深度學習方法的增長，直接使用3D輸入數據實現此類任務的可能性越來越大。在不同的3D表示中，3D點云是一種簡單、常見且節省內存的表示，可以直接從多視圖圖像、深度掃描或LiDAR距離圖像中檢索。在實現以物體為中心的幾何感知方面存在不同的挑戰，如對具有多個剛性部件的常見鉸接物體實現細粒度的幾何理解，學習具有較少標簽的解纏形狀和姿態表示，或以端到端的方式處理動態和順序幾何輸入。本文通過設計有效和可泛化的3D表示、架構和管道，從3D深度學習的角度識別和解決這些挑戰。本文通過設計一種新的層次不變表示，首次對常見鉸接物體進行深度姿態估計。為了推動常見剛性物體的6D姿態估計的邊界，設計了一個簡單而有效的自監督框架來處理無標記的部分分割掃描。提出一種新的4D卷積神經網絡PointMotionNet來學習三維點云序列的時空特征。這些工作從一個獨特的3D深度學習視角推進了以物體為中心的幾何感知領域的研究。如今，3D傳感器廣泛安裝在各種移動設備上，如iPhone上的深度相機，或自動駕駛汽車上的激光雷達傳感器。這些3D傳感技術可以幫助我們準確地測量3D世界。對于機器智能領域，我們也希望構建智能系統和算法來學習有用的信息，更好地理解3D世界。我們人類具有不可思議的能力，通過我們的視覺或觸覺系統來感知和理解這個3D世界。例如，人類可以在沒有看到整個房間的情況下推斷出房間中家具的幾何結構和布置，我們能夠跟蹤一個3D對象，無論其外觀、形狀和比例如何變化，我們還可以根據順序觀察和復雜推理預測多個對象的未來運動。在這里，我的工作設計了各種框架，從大量3D點表示的幾何數據中學習這些3D信息，實現了對單個物體的細粒度幾何理解，可以幫助機器告訴目標物體的幾何、狀態和動態。本文的工作是為了更好地理解這個動態世界。

**人類通過被動觀察和主動互動來學習世界的心理模型，從而在環境中導航。他們的世界模型允許他們預測接下來可能發生的事情，并根據潛在的目標采取相應的行動。**這樣的世界模型在自動駕駛等復雜環境的規劃方面具有強大的前景。人類司機或自動駕駛系統用眼睛或相機感知周圍環境。他們推斷出世界的一種內部表示應該:(i)具有空間記憶(例如遮擋)，(ii)填充部分可觀測或有噪聲的輸入(例如被陽光蒙蔽時)，以及(iii)能夠概率地推理不可觀測的事件(例如預測不同的可能的未來)。它們是具身的智能體，可以通過其世界模型在物理世界中預測、計劃和行動。本文提出一個通用框架，從攝像機觀察和專家演示中訓練世界模型和策略，由深度神經網絡參數化。利用幾何、語義和運動等重要的計算機視覺概念，將世界模型擴展到復雜的城市駕駛場景。**在我們的框架中，我們推導了這種主動推理設置的概率模型，其目標是推斷解釋主動代理的觀察和行動的潛在動力學。**我們通過確保模型預測準確的重建以及合理的操作和過渡來優化日志證據的下界。首先，我們提出了一個模型，預測計算機視覺中的重要量:深度、語義分割和光流。然后，我們使用三維幾何作為歸納偏差在鳥瞰空間中操作。我們首次提出了一個模型，可以從360?環繞單目攝像機鳥瞰動態代理的概率未來軌跡。最后，我們展示了在閉環駕駛中學習世界模型的好處。我們的模型可以聯合預測城市駕駛環境中的靜態場景、動態場景和自我行為。我們表明，學習世界模型和駕駛策略可以生成超過1小時的預測(比訓練序列大小長2000倍)。

在許多現代應用中取得顯著成功的最主要的技術之一是深度學習。對圖像識別、語音處理和文本理解中的海量數據分析的癡迷，促使深度神經網絡在不同研究領域的不同學習任務中取得了顯著進展。深度學習技術聯盟產生了強大的卷積神經網絡和新興的圖神經網絡。圖神經網絡(Graph neural networks)，簡稱GNNs，是一種輸入包含內部結構關系的深度神經網絡。圖神經網絡(GNNs)的主流找到了圖的充分數值表示，這對統計或機器學習模型的預測性能至關重要。圖表示學習在現實世界中有許多應用，如藥物再利用、蛋白質分類、流行病傳播控制和社會網絡分析等。在過去五年中，GNN的快速發展過程中，發現了一些設計缺陷，如過度平滑、易受擾動、缺乏表現力和缺乏可解釋性。同時，對該研究領域的持續熱情為解決更復雜的問題積累了經驗，如大小可變圖壓縮和時變圖動態捕獲。

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**這篇論文的目標是闡明一些關于數學的概述問題。**其中，圖壓縮的置換不變設計支持流形學習，魯棒的圖平滑依賴于凸優化原理，高效的動態圖表示學習借鑒了信號處理和矩陣分解的隨機冪方法。作者認為，深度學習技術的有效性不應該僅僅取決于在特定數據集上的性能，對黑盒模型的修改應該在皮膚層之下進行，并比超參數調整付出更多的努力。深度神經網絡的可靠性期待著在嚴格的數學支持下設計模型，以便有一天“計算機科學”成為真正的科學。

場景表示是將對環境的傳感觀察轉換為緊湊描述的過程。這種智能行為是人工智能的基石。長期以來，科學家們一直試圖重現人類理解物理環境的非凡能力。將對環境的視覺傳感觀察作為輸入，現代智能系統主要致力于學習對基本場景屬性(如幾何和語義)進行編碼的神經表示。這種表示可以用于支持其他下游任務，最終在復雜的3D世界中實現自主感知和交互。近年來，深度神經網絡在神經場景表示中的幾何和語義信息建模方面表現出色。然而，由于不受控制的現實場景的脆弱性，構建健壯的系統仍然具有很高的挑戰性。由于對場景變化的傳感觀察的差異，不同類型的視覺表示之間的領域差距，以及對多類別信息的高效感知的要求，這為場景表示學習帶來了巨大的復雜性。為克服這些挑戰，本文追求魯棒、統一和信息豐富的場景表示，從不同類型的視覺輸入中學習幾何和語義，為自主學習理解周圍世界的智能機器鋪平道路。在此背景下，本文在視覺定位、像素點匹配和語義曲面重建領域做出了三個核心貢獻。

在這篇論文中，我們從單幅圖像開始估計6自由度(DoF)相機姿態。為了學習對環境變化和傳感器操作具有魯棒性的場景表示，提出了一種結合自注意模塊的神經網絡來建模復雜的幾何關系，給定的圖像相對于參考環境進行拍攝。然后，基于極線幾何和立體視覺的內在約束，我們構建了一個更通用的框架，在二維圖像和三維點云之間尋找統一的表示形式。通過引入超寬接收機制和新的損失函數，提出了一種雙全卷積框架，將2D和3D輸入映射到共享的潛表示空間中，以同時描述和檢測關鍵點，彌合2D和3D表示之間的差距。最后，我們將我們的研究擴展到開發信息表示，這通常是智能系統在現實場景中同時用于多個目的的操作所需要的。在借鑒以往基于點的網絡研究成果的基礎上，我們引入了一種全新的端到端神經隱式函數，它可以聯合估計原始和大規模點云的精確三維曲面和語義。

總體而言，本文開發了一系列新穎的深度神經框架，以推動場景表示的機器學習領域向能夠完全感知現實世界3D環境的人工智能發展。

深度學習的出現為許多基本的計算機視覺任務帶來了巨大的進展，如分類、檢測和分割，這些任務描述了圖像和視頻中物體的類別和位置。在監督學習方面也做了很多工作--教機器使用人類注釋的標簽來解決這些任務。然而，機器只知道某些物體的名稱和位置是不夠的；許多任務需要對復雜的物理世界有更深入的了解--例如，物體與周圍環境的互動（通常通過創造陰影、反射、表面變形和其他視覺效果）。此外，在嚴重依賴人類監督的情況下，訓練模型來解決這些任務，成本很高，而且不切實際，難以推廣。因此，本論文探索了兩個方向：首先，我們的目標是超越分割，解決一個全新的任務：將物體與其相關的視覺效果（如陰影、反射或附著的物體）分組；其次，我們以自我監督的方式解決視頻物體分割的基本任務，而不依賴任何人類注釋。

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為了將物體與其相關的視覺效果自動分組，我們采用了一種分層的方法：我們的目標是將視頻分解成特定的物體層，其中包含所有與物體一起移動的元素。這些層的一個應用是，它們可以以新的方式重新組合，以產生一個高度真實的、經過改變的原始視頻版本（例如，刪除或復制物體，或改變其運動的時間）。這里的關鍵是利用卷積神經網絡的自然屬性來獲得輸入視頻的分層分解。我們設計了一個神經網絡，通過對視頻的過度擬合，為視頻輸出層。我們首先介紹了一種針對人類的方法，然后展示了如何將其適應于任意的物體類別，如動物或汽車。我們的第二個任務是視頻物體分割：為視頻中的物體產生像素級的標簽（段）。我們以前的工作是在單個視頻上進行優化，而在這里，我們采取了一種數據驅動的方法，以自我監督的方式對大量的視頻語料庫進行訓練。我們考慮了兩種不同的任務設置：（1）半監督物體分割，即為單一幀提供初始物體掩碼，該方法必須將該掩碼傳播到其余幀；（2）移動物體發現，即不提供掩碼，該方法必須分割突出的移動物體。我們探討了兩種不同的輸入流。RGB和光流，并討論它們與人類視覺系統的聯系。

計算上下文理解指的是agent融合不同信息源進行決策的能力，因此，通常被認為是人工智能(AI)等復雜機器推理能力的先決條件。數據驅動和知識驅動方法是追求這種機器意義生成能力的兩種經典技術。然而，雖然數據驅動的方法試圖通過在現實世界中的觀察來模擬事件的統計規律，但它們仍然難以解釋，而且缺乏自然地結合外部知識的機制。相反，知識驅動的方法結合了結構化的知識庫，使基于公理原則的符號推理成為可能，并產生更多可解釋的預測; 然而，它們往往缺乏估計推斷的統計顯著性或魯棒地適應輸入中的擾動的能力。為了解決這些問題，我們使用混合AI方法作為綜合兩種方法的優勢的一般框架。具體而言，我們繼承了神經符號的概念，將其作為一種使用領域知識來指導深度神經網絡學習進程的方法。領域知識以多種形式出現，包括:(i) 圖模型，它描述了實體之間的關系，如依賴、獨立、因果、相關和部分相關; (ii) 常識性知識，包括空間知識、物體的物理屬性、語義關系和功能知識; 專家智能體以演示或軟標簽的形式提供特權信息; (iv) 習得的行為原語和先驗，這些行為原語和先驗可能構成可推廣和可轉移的任務執行;以及(v)輔助任務、目標和約束條件——為約束優化精心選擇。

無論可用的領域知識類型是什么，相同的實際目標仍然是:學習有意義的神經表征，用于下游感興趣的任務。神經表征學習的潛在目標是在統計上識別agent輸入數據或觀察中變化的最佳解釋因素，通常需要對輸入中多種模式或觀點之間的互補性的直覺。雖然已經有很多關注于學習特定任務的有效神經表征，然后將學習到的表征轉移或適應其他任務，相對較少的重點放在有各種類型的領域知識的表征學習。這些知識可用于恢復潛在生成過程的信息，設計學習問題的有效建模策略，確保模型的可轉移性或泛化性，或理解視圖之間的互補性。本文研究了將上述類型的領域知識與神經表示相結合的方法，以提高以下問題領域的模型性能和通用性:神經常識推理、多模態機器人導航和自動駕駛。本文提供了一系列工具、方法、任務、國際AI挑戰和排行榜、數據集和知識圖;此外，這項工作還成功組織了兩場關于自動駕駛安全學習的國際研討會。

賦予機器以感知三維世界的能力，就像我們人類一樣，是人工智能領域一個基本且長期存在的主題。給定不同類型的視覺輸入，如二維/三維傳感器獲取的圖像或點云，一個重要的目標是理解三維環境的幾何結構和語義。傳統的方法通常利用手工特征來估計物體或場景的形狀和語義。然而，他們很難推廣到新的對象和場景，并努力克服關鍵問題造成的視覺遮擋。相比之下，我們的目標是理解場景和其中的對象，通過學習一般和魯棒的表示使用深度神經網絡，訓練在大規模的真實世界3D數據。為了實現這些目標，本文從單視圖或多視圖的物體級三維形狀估計到場景級語義理解三個方面做出了核心貢獻。

在第3章中，我們從一張圖像開始估計一個物體的完整三維形狀。利用幾何細節恢復密集的三維圖形，提出一種強大的編碼器解碼器結構，并結合對抗式學習，從大型三維對象庫中學習可行的幾何先驗。在第4章中，我們建立了一個更通用的框架來從任意數量的圖像中精確地估計物體的三維形狀。通過引入一種新的基于注意力的聚合模塊和兩階段的訓練算法，我們的框架能夠集成可變數量的輸入視圖，預測穩健且一致的物體三維形狀。在第5章中，我們將我們的研究擴展到三維場景，這通常是一個復雜的個體對象的集合。現實世界的3D場景，例如點云，通常是雜亂的，無結構的，閉塞的和不完整的。在借鑒以往基于點的網絡工作的基礎上，我們引入了一種全新的端到端管道來同時識別、檢測和分割三維點云中的所有對象。

總的來說，本文開發了一系列新穎的數據驅動算法，讓機器感知我們真實的3D環境，可以說是在推動人工智能和機器理解的邊界。

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盡管近年來計算機視覺技術已經取得了長足的進步，但是對于復雜視覺場景 的感知和理解，目前的計算機模型表現還遠遠沒有達到大規模普及和落地應用的 水平。為了充分地利用日常生活中海量的視覺媒體數據，復雜視覺場景的感知和理 解已經逐漸成為計算機視覺領域的一個研究熱點。

本文將針對四個不同層次的視覺場景理解（物體級別識別、場景級別識別、場 景級別理解和場景級別推理），逐步地對復雜視覺場景中視覺內容的識別、檢測和 推理進行研究。本文的關鍵技術線路主要聚焦于零樣本物體分類、圖像場景圖生 成、圖像描述生成、視頻片段檢索和視覺問答等具體視覺場景理解任務。在此研究 技術路線下，本文主要的研究內容和貢獻如下：

1）針對零樣本物體分類模型中普遍存在的語義丟失問題，本文提出一種全新 的零樣本學習網絡。該網絡首次引入兩個相互獨立的映射網絡分支，將圖像分類和 圖像重建兩個原本相互沖突的任務分離出來。同時借助對抗學習，實現重建網絡分 支和分類網絡分支之間的屬性遷移。

2）針對圖像場景圖生成模型中優化目標通常忽略不同物體的重要性差異的問 題，本文提出一種全新的訓練框架，首次將圖像場景圖生成任務轉化成一個多智能 體協同決策問題，從而可以直接將整個圖像場景圖質量作為模型的優化目標。同 時，本文還提出了一個反事實基準模型，可以有效地計算出每個物體類別預測對整 體場景圖生成質量的局部貢獻。

3）參考現有的空間注意力機制，本文首次提出通道注意力機制。同時，通過 充分挖掘卷積神經網絡的特征圖的三個不同維度（空間、通道和層級）之間的聯系， 提出一種全新的空間和通道注意力網絡。在圖像描述生成任務中，該網絡不僅極大 地提升了描述語句的生成質量，同時幫助人們理解在語句生成過程中特征圖的變 化過程。

4）針對目前視頻片段檢索任務中兩種主流框架（自頂向下和稀疏型自底向上） 的設計缺陷，本文提出了一種全新的密集型自底向上的框架。通過將動作邊界定位問題分解成相關性預測和邊界回歸兩個子問題，顯著地降低了動作邊界定位的難 度。同時，本文提出一個基于圖卷積的特征金字塔層，來進一步增強骨干網絡編碼 能力。

5）針對目前視覺問答模型忽略的兩個重要特性（視覺可解釋性和問題敏感性）， 本文提出了一種通用的反事實樣本生成機制。通過遮蓋圖像中的重要區域或問題 中的重要單詞，同時更改標準答案，來合成全新的反事實訓練樣本。通過使用原始 訓練樣本和反事實訓練樣本一起對模型進行訓練，迫使視覺問答模型關注被遮蓋 的重要內容，提升模型的視覺可解釋性和問題敏感性。

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