Building 3D maps of the environment is central to robot navigation, planning, and interaction with objects in a scene. Most existing approaches that integrate semantic concepts with 3D maps largely remain confined to the closed-set setting: they can only reason about a finite set of concepts, pre-defined at training time. Further, these maps can only be queried using class labels, or in recent work, using text prompts. We address both these issues with ConceptFusion, a scene representation that is (1) fundamentally open-set, enabling reasoning beyond a closed set of concepts and (ii) inherently multimodal, enabling a diverse range of possible queries to the 3D map, from language, to images, to audio, to 3D geometry, all working in concert. ConceptFusion leverages the open-set capabilities of today's foundation models pre-trained on internet-scale data to reason about concepts across modalities such as natural language, images, and audio. We demonstrate that pixel-aligned open-set features can be fused into 3D maps via traditional SLAM and multi-view fusion approaches. This enables effective zero-shot spatial reasoning, not needing any additional training or finetuning, and retains long-tailed concepts better than supervised approaches, outperforming them by more than 40% margin on 3D IoU. We extensively evaluate ConceptFusion on a number of real-world datasets, simulated home environments, a real-world tabletop manipulation task, and an autonomous driving platform. We showcase new avenues for blending foundation models with 3D open-set multimodal mapping. For more information, visit our project page https://concept-fusion.github.io or watch our 5-minute explainer video https://www.youtube.com/watch?v=rkXgws8fiDs


翻译:构建环境的三维地图是机器人导航、规划及场景内物体交互的核心环节。现有将语义概念与三维地图融合的方法大多局限于封闭集场景:仅能对训练时预定义的有限概念集进行推理。此外,这些地图仅能通过类标签查询,或如近期研究所示,通过文本提示查询。我们提出的ConceptFusion场景表征同时解决了这两个问题:它(1)本质上是开放集的,能对封闭集之外的概念进行推理;(2)天生是多模态的,支持对三维地图进行从语言、图像、音频到三维几何等多样化查询,且各模态协同工作。ConceptFusion利用当前基于互联网规模数据预训练的各类基础模型的开放集能力,对跨模态概念(如自然语言、图像、音频)进行推理。我们证明,通过传统SLAM和多视图融合方法,像素对齐的开放集特征可被融合至三维地图中。这实现了有效的零样本空间推理,无需任何额外训练或微调,且在长尾概念保留方面优于监督方法——在三维IoU指标上提升幅度超过40%。我们在多个真实世界数据集、模拟家居环境、真实桌面操控任务以及自动驾驶平台上对ConceptFusion进行了全面评估。我们展示了将基础模型与三维开放集多模态地图融合的新途径。更多信息请访问项目页面https://concept-fusion.github.io或观看5分钟讲解视频https://www.youtube.com/watch?v=rkXgws8fiDs。

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