虽然牛顿力学的基本规律得到了很好的理解，但是解释了物理场景仍然需要用合适的方程式制造问题并估计相关参数。为了能够利用人工智能技术在这种物理相关的背景下利用近似能力，研究人员已经手工制作了相关状态，然后使用神经网络来学习使用模拟运行作为训练数据的状态转换。遗憾的是，这种方法不适合建模复杂的现实情景，在手动创作相关的状态空间往往是乏味和挑战性的。在这项工作中，我们研究了神经网络是否可以基于视觉数据隐含地学习现实世界机械过程的物理状态，而在内部建模非均匀环境中，并且在该过程中可以实现长期物理推断。我们为此任务开发了经常性的神经网络架构，并且还以不断变化的方差估计的形式表征了结果的不确定性。我们评估我们的设置，以推断在不同形状和方向的碗上的滚珠球运动，以及仅使用图像作为输入的任意高度场。我们在对预测的准确性和情景复杂性方面，我们报告了对现有的基于图像的方法的显着改进;并报告与我们不同的方法，竞争性能与我们不同，承担进入内部物理状态。

传统上，本征成像或内在图像分解被描述为将图像分解为两层：反射率，材料的反射率;和一个阴影，由光和几何之间的相互作用产生。近年来，深入学习技术已广泛应用，以提高这些分离的准确性。在本调查中，我们概述了那些在知名内在图像数据集和文献中使用的相关度量的结果，讨论了预测所需的内在图像分解的适用性。虽然Lambertian的假设仍然是许多方法的基础，但我们表明，对图像形成过程更复杂的物理原理组件的潜力越来越意识到，这是光学准确的材料模型和几何形状，更完整的逆轻型运输估计。考虑使用的前瞻和模型以及驾驶分解过程的学习架构和方法，我们将这些方法分类为分解的类型。考虑到最近神经，逆和可微分的渲染技术的进步，我们还提供了关于未来研究方向的见解。

这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。

尽管当前的视觉算法在许多具有挑战性的任务上都表现出色，但尚不清楚他们如何理解现实世界环境的物理动态。在这里，我们介绍了Physion，一种数据集和基准，用于严格评估预测物理场景如何随着时间而发展的能力。我们的数据集具有对各种物理现象的现实模拟，包括刚性和软体体碰撞，稳定的多对象配置，滚动，滑动和弹丸运动，因此比以前的基准提供了更全面的挑战。我们使用Physion来基准一套模型，其体系结构，学习目标，投入输出结构和培训数据各不相同。同时，我们在同一场景上获得了人类预测行为的精确测量，从而使我们能够直接评估任何模型能够近似人类行为的效果。我们发现，学习以对象为中心的表示的视觉算法通常优于那些没有人的表现，但仍未达到人类绩效。另一方面，绘制具有直接访问物理状态信息的神经网络的表现效果更好，并且做出与人类制作的预测更相似。这些结果表明，提取场景的物理表征是在视力算法中实现人类水平和类似人类的物理理解的主要瓶颈。我们已公开发布了所有数据和代码，以促进使用物理以完全可重现的方式对其他模型进行基准测试，从而使对视觉算法的进度进行系统的评估，这些算法像人们一样坚固地了解物理环境。

微弱的物理是计算机视觉和机器人的强大工具，用于了解互动的场景理解和推理。现有方法经常被限于具有预先已知的简单形状或形状的物体。在本文中，我们提出了一种新的方法来具有摩擦触点的可分解物理学，其利用符号距离场（SDF）隐含地表示物理形状。我们的模拟即使涉及的形状为非凸形表示，也支持接触点计算。此外，我们提出了区分对象形状的动力学来利用基于梯度的方法来促进形状优化。在我们的实验中，我们证明我们的方法允许从轨迹和深度图像观察的诸如摩擦系数，质量，力或形状参数的物理参数的基于模型的推断，并且在几个具有挑战性的合成场景和真实图像序列中。

Reasoning about objects, relations, and physics is central to human intelligence, and a key goal of artificial intelligence. Here we introduce the interaction network, a model which can reason about how objects in complex systems interact, supporting dynamical predictions, as well as inferences about the abstract properties of the system. Our model takes graphs as input, performs object-and relation-centric reasoning in a way that is analogous to a simulation, and is implemented using deep neural networks. We evaluate its ability to reason about several challenging physical domains: n-body problems, rigid-body collision, and non-rigid dynamics. Our results show it can be trained to accurately simulate the physical trajectories of dozens of objects over thousands of time steps, estimate abstract quantities such as energy, and generalize automatically to systems with different numbers and configurations of objects and relations. Our interaction network implementation is the first general-purpose, learnable physics engine, and a powerful general framework for reasoning about object and relations in a wide variety of complex real-world domains.

综合照片 - 现实图像和视频是计算机图形的核心，并且是几十年的研究焦点。传统上，使用渲染算法（如光栅化或射线跟踪）生成场景的合成图像，其将几何形状和材料属性的表示为输入。统称，这些输入定义了实际场景和呈现的内容，并且被称为场景表示（其中场景由一个或多个对象组成）。示例场景表示是具有附带纹理的三角形网格（例如，由艺术家创建），点云（例如，来自深度传感器），体积网格（例如，来自CT扫描）或隐式曲面函数（例如，截短的符号距离）字段）。使用可分辨率渲染损耗的观察结果的这种场景表示的重建被称为逆图形或反向渲染。神经渲染密切相关，并将思想与经典计算机图形和机器学习中的思想相结合，以创建用于合成来自真实观察图像的图像的算法。神经渲染是朝向合成照片现实图像和视频内容的目标的跨越。近年来，我们通过数百个出版物显示了这一领域的巨大进展，这些出版物显示了将被动组件注入渲染管道的不同方式。这种最先进的神经渲染进步的报告侧重于将经典渲染原则与学习的3D场景表示结合的方法，通常现在被称为神经场景表示。这些方法的一个关键优势在于它们是通过设计的3D-一致，使诸如新颖的视点合成捕获场景的应用。除了处理静态场景的方法外，我们还涵盖了用于建模非刚性变形对象的神经场景表示...

在本文中，我们介绍一种方法来自动重建与来自单个RGB视频相互作用的人的3D运动。我们的方法估计人的3D与物体姿势，接触位置和施加在人体上的接触力的姿势。这项工作的主要贡献是三倍。首先，我们介绍一种通过建模触点和相互作用的动态来联合估计人与人的运动和致动力的方法。这是一个大规模的轨迹优化问题。其次，我们开发一种方法来从输入视频自动识别，从输入视频中识别人和物体或地面之间的2D位置和时序，从而显着简化了优化的复杂性。第三，我们在最近的视频+ Mocap数据集上验证了捕获典型的Parkour行动的方法，并在互联网视频的新数据集上展示其表现，显示人们在不受约束的环境中操纵各种工具。

Here we present a machine learning framework and model implementation that can learn to simulate a wide variety of challenging physical domains, involving fluids, rigid solids, and deformable materials interacting with one another. Our framework-which we term "Graph Network-based Simulators" (GNS)-represents the state of a physical system with particles, expressed as nodes in a graph, and computes dynamics via learned message-passing. Our results show that our model can generalize from single-timestep predictions with thousands of particles during training, to different initial conditions, thousands of timesteps, and at least an order of magnitude more particles at test time. Our model was robust to hyperparameter choices across various evaluation metrics: the main determinants of long-term performance were the number of message-passing steps, and mitigating the accumulation of error by corrupting the training data with noise. Our GNS framework advances the state-of-the-art in learned physical simulation, and holds promise for solving a wide range of complex forward and inverse problems.

准确地对现实世界进行建模接触行为，对于现有的刚体物理模拟器而言，近刚毛的材料仍然是一个巨大的挑战。本文介绍了一个数据增强的接触模型，该模型将分析解决方案与观察到的数据结合在一起，以预测3D接触脉冲，这可能会导致刚体在各个方向上弹跳，滑动或旋转。我们的方法通过从观察到的数据中学习接触行为来增强标准库仑接触模型的表现力，同时尽可能保留基本的接触约束。例如，对分类器进行了训练，以近似静态摩擦和动态摩擦之间的过渡，而在碰撞过程中的非渗透约束在分析中执行。我们的方法计算整个刚体的触点的汇总效果，而不是分别预测每个接触点的接触力，而保持相同的模拟速度，而与接触点的数量增加了详细的几何形状。补充视频：https：//shorturl.at/eilwx关键字：物理模拟算法，动态学习，联系人学习

尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。

了解3D场景是自治代理的关键先决条件。最近，LIDAR和其他传感器已经以点云帧的时间序列形式提供了大量数据。在这项工作中，我们提出了一种新的问题 - 顺序场景流量估计（SSFE） - 该旨在预测给定序列中所有点云的3D场景流。这与先前研究的场景流程估计问题不同，这侧重于两个框架。我们介绍SPCM-NET架构，通过计算相邻点云之间的多尺度时空相关性，然后通过订单不变的复制单元计算多级时空相关性来解决这个问题。我们的实验评估证实，与仅使用两个框架相比，点云序列的复发处理导致SSFE明显更好。另外，我们证明可以有效地修改该方法，用于顺序点云预测（SPF），一种需要预测未来点云帧的相关问题。我们的实验结果是使用SSFE和SPF的新基准进行评估，包括合成和实时数据集。以前，场景流估计的数据集仅限于两个帧。我们为这些数据集提供非琐碎的扩展，用于多帧估计和预测。由于难以获得现实世界数据集的地面真理运动，我们使用自我监督的培训和评估指标。我们认为，该基准将在该领域的未来研究中关键。将可访问基准和型号的所有代码。

Figure 1: A five-fingered humanoid hand trained with reinforcement learning manipulating a block from an initial configuration to a goal configuration using vision for sensing.

词汇语义和认知科学指出，负担能力（即对反对支持的行为）对于理解和代表名词和动词至关重要。但是，对这些语义特征的研究尚未与当前主导语言表示研究的“基础”模型集成。我们假设随着时间的推移，对象状态的预测建模将导致“免费”编码对象负担信息的表示。我们训练神经网络在模拟交互中预测对象的轨迹，并表明我们网络的潜在表示区分了观察到的和未观察到的负担。我们发现，使用空间数据集中的3D模拟训练的模型优于传统的2D计算机视觉模型，该模型训练了类似任务，并且在初步检查时，概念之间的差异与预期功能相对应（例如，滚动需要旋转）。我们的结果提出了一种方法，即可以将现代深度学习方法与词汇表达的传统语义概念融合在一起。

机器人和与世界相互作用或互动的机器人和智能系统越来越多地被用来自动化各种任务。这些系统完成这些任务的能力取决于构成机器人物理及其传感器物体的机械和电气部件，例如，感知算法感知环境，并计划和控制算法以生产和控制算法来生产和控制算法有意义的行动。因此，通常有必要在设计具体系统时考虑这些组件之间的相互作用。本文探讨了以端到端方式对机器人系统进行任务驱动的合作的工作，同时使用推理或控制算法直接优化了系统的物理组件以进行任务性能。我们首先考虑直接优化基于信标的本地化系统以达到本地化准确性的问题。设计这样的系统涉及将信标放置在整个环境中，并通过传感器读数推断位置。在我们的工作中，我们开发了一种深度学习方法，以直接优化信标的放置和位置推断以达到本地化精度。然后，我们将注意力转移到了由任务驱动的机器人及其控制器优化的相关问题上。在我们的工作中，我们首先提出基于多任务增强学习的数据有效算法。我们的方法通过利用能够在物理设计的空间上概括设计条件的控制器，有效地直接优化了物理设计和控制参数，以直接优化任务性能。然后，我们对此进行跟进，以允许对离散形态参数（例如四肢的数字和配置）进行优化。最后，我们通过探索优化的软机器人的制造和部署来得出结论。

以对象为中心的表示是通过提供柔性抽象可以在可以建立的灵活性抽象来实现更系统的推广的有希望的途径。最近的简单2D和3D数据集的工作表明，具有对象的归纳偏差的模型可以学习段，并代表单独的数据的统计结构中的有意义对象，而无需任何监督。然而，尽管使用越来越复杂的感应偏差（例如，用于场景的尺寸或3D几何形状），但这种完全无监督的方法仍然无法扩展到不同的现实数据。在本文中，我们采取了弱监督的方法，并专注于如何使用光流的形式的视频数据的时间动态，2）调节在简单的对象位置上的模型可以用于启用分段和跟踪对象在明显更现实的合成数据中。我们介绍了一个顺序扩展，以便引入我们训练的推出，我们训练用于预测现实看的合成场景的光流，并显示调节该模型的初始状态在一小组提示，例如第一帧中的物体的质量中心，是足以显着改善实例分割。这些福利超出了新型对象，新颖背景和更长的视频序列的培训分配。我们还发现，在推论期间可以使用这种初始状态调节作为对特定物体或物体部分的型号查询模型，这可能会为一系列弱监管方法铺平，并允许更有效的互动训练有素的型号。

Deep learning models, though having achieved great success in many different fields over the past years, are usually data hungry, fail to perform well on unseen samples, and lack of interpretability. Various prior knowledge often exists in the target domain and their use can alleviate the deficiencies with deep learning. To better mimic the behavior of human brains, different advanced methods have been proposed to identify domain knowledge and integrate it into deep models for data-efficient, generalizable, and interpretable deep learning, which we refer to as knowledge-augmented deep learning (KADL). In this survey, we define the concept of KADL, and introduce its three major tasks, i.e., knowledge identification, knowledge representation, and knowledge integration. Different from existing surveys that are focused on a specific type of knowledge, we provide a broad and complete taxonomy of domain knowledge and its representations. Based on our taxonomy, we provide a systematic review of existing techniques, different from existing works that survey integration approaches agnostic to taxonomy of knowledge. This survey subsumes existing works and offers a bird's-eye view of research in the general area of knowledge-augmented deep learning. The thorough and critical reviews of numerous papers help not only understand current progresses but also identify future directions for the research on knowledge-augmented deep learning.

我们介绍了ThreedWorld（TDW），是交互式多模态物理模拟的平台。 TDW能够模拟高保真感官数据和富裕的3D环境中的移动代理和对象之间的物理交互。独特的属性包括：实时近光 - 真实图像渲染;对象和环境库，以及他们定制的例程;有效构建新环境课程的生成程序;高保真音频渲染;各种材料类型的现实物理相互作用，包括布料，液体和可变形物体;可定制的代理体现AI代理商;并支持与VR设备的人类交互。 TDW的API使多个代理能够在模拟中进行交互，并返回一系列表示世界状态的传感器和物理数据。我们在计算机视觉，机器学习和认知科学中的新兴的研究方向上提供了通过TDW的初始实验，包括多模态物理场景理解，物理动态预测，多代理交互，像孩子一样学习的模型，并注意研究人类和神经网络。

当前独立于域的经典计划者需要问题域和实例作为输入的符号模型，从而导致知识采集瓶颈。同时，尽管深度学习在许多领域都取得了重大成功，但知识是在与符号系统（例如计划者）不兼容的亚符号表示中编码的。我们提出了Latplan，这是一种无监督的建筑，结合了深度学习和经典计划。只有一组未标记的图像对，显示了环境中允许的过渡子集（训练输入），Latplan学习了环境的完整命题PDDL动作模型。稍后，当给出代表初始状态和目标状态（计划输入）的一对图像时，Latplan在符号潜在空间中找到了目标状态的计划，并返回可视化的计划执行。我们使用6个计划域的基于图像的版本来评估LATPLAN：8个插头，15个式嘴，Blockworld，Sokoban和两个LightsOut的变体。

视觉世界可以以稀疏相互作用的不同实体来嘲笑。在动态视觉场景中发现这种组合结构已被证明对端到端的计算机视觉方法有挑战，除非提供明确的实例级别的监督。利用运动提示的基于老虎机的模型最近在学习代表，细分和跟踪对象的情况下没有直接监督显示了巨大的希望，但是它们仍然无法扩展到复杂的现实世界多对象视频。为了弥合这一差距，我们从人类发展中汲取灵感，并假设以深度信号形式的场景几何形状的信息可以促进以对象为中心的学习。我们介绍了一种以对象为中心的视频模型SAVI ++，该模型经过训练，可以预测基于插槽的视频表示的深度信号。通过进一步利用模型缩放的最佳实践，我们能够训练SAVI ++以细分使用移动摄像机记录的复杂动态场景，其中包含在自然主义背景上具有不同外观的静态和移动对象，而无需进行分割监督。最后，我们证明，通过使用从LIDAR获得的稀疏深度信号，Savi ++能够从真实World Waymo Open DataSet中的视频中学习新兴对象细分和跟踪。