In many real-world settings, image observations of freely rotating 3D rigid bodies, such as satellites, may be available when low-dimensional measurements are not. However, the high-dimensionality of image data precludes the use of classical estimation techniques to learn the dynamics and a lack of interpretability reduces the usefulness of standard deep learning methods. In this work, we present a physics-informed neural network model to estimate and predict 3D rotational dynamics from image sequences. We achieve this using a multi-stage prediction pipeline that maps individual images to a latent representation homeomorphic to $\mathbf{SO}(3)$, computes angular velocities from latent pairs, and predicts future latent states using the Hamiltonian equations of motion with a learned representation of the Hamiltonian. We demonstrate the efficacy of our approach on a new rotating rigid-body dataset with sequences of rotating cubes and rectangular prisms with uniform and non-uniform density.


翻译:在许多实际场景中,当无法获取低维测量数据时,可能可以获得自由旋转3D刚体(如卫星)的图像观测数据。然而,图像数据的高维性阻碍了经典估计技术用于动力学学习,而可解释性的缺失又降低了标准深度学习方法的应用价值。本文提出了一种物理信息神经网络模型,用于从图像序列中估计和预测三维旋转动力学。我们通过多阶段预测流水线实现该目标:将单幅图像映射至与$\mathbf{SO}(3)$同胚的潜空间表征,从潜空间表征对中计算角速度,并利用哈密顿运动方程及学习到的哈密顿量表征预测未来潜状态。我们在新构建的旋转刚体数据集上验证了方法的有效性,该数据集包含旋转立方体和矩形棱柱(均匀和非均匀密度)的图像序列。

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