On Recognizing Transparent Objects in Domestic Environments Using Fusion of Multiple Sensor Modalities

Current object recognition methods fail on object sets that include both diffuse, reflective and transparent materials, although they are very common in domestic scenarios. We show that a combination of cues from multiple sensor modalities, including specular reflectance and unavailable depth information, allows us to capture a larger subset of household objects by extending a state of the art object recognition method. This leads to a significant increase in robustness of recognition over a larger set of commonly used objects.Comment: 12 page

Road Condition Mapping by Integration of Laser Scanning, RGB Imaging and Spectrometry

Roads are important infrastructure and are primary means of transportation. Control and maintenance of roads are substantial as the pavement surface deforms and deteriorates due to heavy load and influences of weather. Acquiring detailed information about the pavement condition is a prerequisite for proper planning of road pavement maintenance and rehabilitation. Many companies detect and localize the road pavement distresses manually, either by on-site inspection or by digitizing laser data and imagery captured by mobile mapping. The automation of road condition mapping using laser data and colour images is a challenge. Beyond that, the mapping of material properties of the road pavement surface with spectrometers has not yet been investigated. This study aims at automatic mapping of road surface condition including distress and material properties by integrating laser scanning, RGB imaging and spectrometry. All recorded data are geo-referenced by means of GNSS/ INS. Methods are developed for pavement distress detection that cope with a variety of different weather and asphalt conditions. Further objective is to analyse and map the material properties of the pavement surface using spectrometry data. No standard test data sets are available for benchmarking developments on road condition mapping. Therefore, all data have been recorded with a mobile mapping van which is set up for the purpose of this research. The concept for detecting and localizing the four main pavement distresses, i.e. ruts, potholes, cracks and patches is the following: ruts and potholes are detected using laser scanning data, cracks and patches using RGB images. For each of these pavement distresses, two or more methods are developed, implemented, compared to each other and evaluated to identify the most successful method. With respect to the material characteristics, spectrometer data of road sections are classified to indicate pavement quality. As a spectrometer registers almost a reflectivity curve in VIS, NIR and SWIR wavelength, indication of aging can be derived. After detection and localization of the pavement distresses and pavement quality classes, the road condition map is generated by overlaying all distresses and quality classes. As a preparatory step for rut and pothole detection, the road surface is extracted from mobile laser scanning data based on a height jump criterion. For the investigation on rut detection, all scanlines are processed. With an approach based on iterative 1D polynomial fitting, ruts are successfully detected. For streets with the width of 6 m to 10 m, a 6th order polynomial is found to be most suitable. By 1D cross-correlation, the centre of the rut is localized. An alternative method using local curvature shows a high sensitivity to the shape and width of a rut and is less successful. For pothole detection, the approach based on polynomial fitting generalized to two dimensions. As an alternative, a procedure using geodesic morphological reconstruction is investigated. Bivariate polynomial fitting encounters problems with overshoot at the boundary of the regions. The detection is very successful using geodesic morphology. For the detection of pavement cracks, three methods using rotation invariant kernels are investigated. Line Filter, High-pass Filter and Modified Local Binary Pattern kernels are implemented. A conceptual aspect of the procedure is to achieve a high degree of completeness. The most successful variant is the Line Filter for which the highest degree of completeness of 81.2 % is achieved. Two texture measures, the gradient magnitude and the local standard deviation are employed to detect pavement patches. As patches may differ with respect to homogeneity and may not always have a dark border with the intact pavement surface, the method using the local standard deviation is more suitable for detecting the patches. Linear discriminant analysis is utilized for asphalt pavement quality analysis and classification. Road pavement sections of ca. 4 m length are classified into two classes, namely: “Good” and “Bad” with the overall accuracy of 77.6 %. The experimental investigations show that the developed methods for automatic distress detection are very successful. By 1D polynomial fitting on laser scanlines, ruts are detected. In addition to ruts also pavement depressions like shoving can be revealed. The extraction of potholes is less demanding. As potholes appear relatively rare in the road networks of a city, the road segments which are affected by potholes are selected interactively. While crack detection by Line Filter works very well, the patch detection is more challenging as patches sometimes look very similar to the intact surface. The spectral classification of pavement sections contributes to road condition mapping as it gives hints on aging of the road pavement.Straßen bilden die primären Transportwege für Personen und Güter und sind damit ein wichtiger Bestandteil der Infrastruktur. Der Aufwand für Instandhaltung und Wartung der Straßen ist erheblich, da sich die Fahrbahnoberfläche verformt und durch starke Belastung und Wettereinflüsse verschlechtert. Die Erfassung detaillierter Informationen über den Fahrbahnzustand ist Voraussetzung für eine sachgemäße Planung der Fahrbahnsanierung und -rehabilitation. Viele Unternehmen detektieren und lokalisieren die Fahrbahnschäden manuell entweder durch Vor-Ort-Inspektion oder durch Digitalisierung von Laserdaten und Bildern aus mobiler Datenerfassung. Eine Automatisierung der Straßenkartierung mit Laserdaten und Farbbildern steht noch in den Anfängen. Zudem werden bisher noch nicht die Alterungszustände der Asphaltdecke mit Hilfe der Spektrometrie bewertet. Diese Studie zielt auf den automatischen Prozess der Straßenzustandskartierung einschließlich der Straßenschäden und der Materialeigenschaften durch Integration von Laserscanning, RGB-Bilderfassung und Spektrometrie ab. Alle aufgezeichneten Daten werden mit GNSS / INS georeferenziert. Es werden Methoden für die Erkennung von Straßenschäden entwickelt, die sich an unterschiedliche Datenquellen bei unterschiedlichem Wetter- und Asphaltzustand anpassen können. Ein weiteres Ziel ist es, die Materialeigenschaften der Fahrbahnoberfläche mittels Spektrometrie-Daten zu analysieren und abzubilden. Derzeit gibt es keine standardisierten Testdatensätze für die Evaluierung von Verfahren zur Straßenzustandsbeschreibung. Deswegen wurden alle Daten, die in dieser Studie Verwendung finden, mit einem eigens für diesen Forschungszweck konfigurierten Messfahrzeug aufgezeichnet. Das Konzept für die Detektion und Lokalisierung der wichtigsten vier Arten von Straßenschäden, nämlich Spurrillen, Schlaglöcher, Risse und Flickstellen ist das folgende: Spurrillen und Schlaglöcher werden aus Laserdaten extrahiert, Risse und Flickstellen aus RGB- Bildern. Für jede dieser Straßenschäden werden mindestens zwei Methoden entwickelt, implementiert, miteinander verglichen und evaluiert um festzustellen, welche Methode die erfolgreichste ist. Im Hinblick auf die Materialeigenschaften werden Spektrometriedaten der Straßenabschnitte klassifiziert, um die Qualität des Straßenbelages zu bewerten. Da ein Spektrometer nahezu eine kontinuierliche Reflektivitätskurve im VIS-, NIR- und SWIR-Wellenlängenbereich aufzeichnet, können Merkmale der Asphaltalterung abgeleitet werden. Nach der Detektion und Lokalisierung der Straßenschäden und der Qualitätsklasse des Straßenbelages wird der übergreifende Straßenzustand mit Hilfe von Durchschlagsregeln als Kombination aller Zustandswerte und Qualitätsklassen ermittelt. In einem vorbereitenden Schritt für die Spurrillen- und Schlaglocherkennung wird die Straßenoberfläche aus mobilen Laserscanning-Daten basierend auf einem Höhensprung-Kriterium extrahiert. Für die Untersuchung zur Spurrillen-Erkennung werden alle Scanlinien verarbeitet. Mit einem Ansatz, der auf iterativer 1D-Polynomanpassung basiert, werden Spurrillen erfolgreich erkannt. Für eine Straßenbreite von 8-10m erweist sich ein Polynom sechsten Grades als am besten geeignet. Durch 1D-Kreuzkorrelation wird die Mitte der Spurrille erkannt. Eine alternative Methode, die die lokale Krümmung des Querprofils benutzt, erweist sich als empfindlich gegenüber Form und Breite einer Spurrille und ist weniger erfolgreich. Zur Schlaglocherkennung wird der Ansatz, der auf Polynomanpassung basiert, auf zwei Dimensionen verallgemeinert. Als Alternative wird eine Methode untersucht, die auf der Geodätischen Morphologischen Rekonstruktion beruht. Bivariate Polynomanpassung führt zu Überschwingen an den Rändern der Regionen. Die Detektion mit Hilfe der Geodätischen Morphologischen Rekonstruktion ist dagegen sehr erfolgreich. Zur Risserkennung werden drei Methoden untersucht, die rotationsinvariante Kerne verwenden. Linienfilter, Hochpassfilter und Lokale Binäre Muster werden implementiert. Ein Ziel des Konzeptes zur Risserkennung ist es, eine hohe Vollständigkeit zu erreichen. Die erfolgreichste Variante ist das Linienfilter, für das mit 81,2 % der höchste Grad an Vollständigkeit erzielt werden konnte. Zwei Texturmaße, nämlich der Betrag des Grauwert-Gradienten und die lokale Standardabweichung werden verwendet, um Flickstellen zu entdecken. Da Flickstellen hinsichtlich der Homogenität variieren können und nicht immer eine dunkle Grenze mit dem intakten Straßenbelag aufweisen, ist diejenige Methode, welche die lokale Standardabweichung benutzt, besser zur Erkennung von Flickstellen geeignet. Lineare Diskriminanzanalyse wird zur Analyse der Asphaltqualität und zur Klassifikation benutzt. Straßenabschnitte von ca. 4m Länge werden zwei Klassen („Gut“ und „Schlecht“) mit einer gesamten Accuracy von 77,6 % zugeordnet. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass die entwickelten Methoden für die automatische Entdeckung von Straßenschäden sehr erfolgreich sind. Durch 1D Polynomanpassung an Laser-Scanlinien werden Spurrillen entdeckt. Zusätzlich zu Spurrillen werden auch Unebenheiten des Straßenbelages wie Aufschiebungen detektiert. Die Extraktion von Schlaglöchern ist weniger anspruchsvoll. Da Schlaglöcher relativ selten in den Straßennetzen von Städten auftreten, werden die Straßenabschnitte mit Schlaglöchern interaktiv ausgewählt. Während die Rissdetektion mit Linienfiltern sehr gut funktioniert, ist die Erkennung von Flickstellen eine größere Herausforderung, da Flickstellen manchmal der intakten Straßenoberfläche sehr ähnlich sehen. Die spektrale Klassifizierung der Straßenabschnitte trägt zur Straßenzustandsbewertung bei, indem sie Hinweise auf den Alterungszustand des Straßenbelages liefert

Techniques for Ocular Biometric Recognition Under Non-ideal Conditions

The use of the ocular region as a biometric cue has gained considerable traction due to recent advances in automated iris recognition. However, a multitude of factors can negatively impact ocular recognition performance under unconstrained conditions (e.g., non-uniform illumination, occlusions, motion blur, image resolution, etc.). This dissertation develops techniques to perform iris and ocular recognition under challenging conditions. The first contribution is an image-level fusion scheme to improve iris recognition performance in low-resolution videos. Information fusion is facilitated by the use of Principal Components Transform (PCT), thereby requiring modest computational efforts. The proposed approach provides improved recognition accuracy when low-resolution iris images are compared against high-resolution iris images. The second contribution is a study demonstrating the effectiveness of the ocular region in improving face recognition under plastic surgery. A score-level fusion approach that combines information from the face and ocular regions is proposed. The proposed approach, unlike other previous methods in this application, is not learning-based, and has modest computational requirements while resulting in better recognition performance. The third contribution is a study on matching ocular regions extracted from RGB face images against that of near-infrared iris images. Face and iris images are typically acquired using sensors operating in visible and near-infrared wavelengths of light, respectively. To this end, a sparse representation approach which generates a joint dictionary from corresponding pairs of face and iris images is designed. The proposed joint dictionary approach is observed to outperform classical ocular recognition techniques. In summary, the techniques presented in this dissertation can be used to improve iris and ocular recognition in practical, unconstrained environments

Multispectral Image Road Extraction Based Upon Automated Map Conflation

Road network extraction from remotely sensed imagery enables many important and diverse applications such as vehicle tracking, drone navigation, and intelligent transportation studies. There are, however, a number of challenges to road detection from an image. Road pavement material, width, direction, and topology vary across a scene. Complete or partial occlusions caused by nearby buildings, trees, and the shadows cast by them, make maintaining road connectivity difficult. The problems posed by occlusions are exacerbated with the increasing use of oblique imagery from aerial and satellite platforms. Further, common objects such as rooftops and parking lots are made of materials similar or identical to road pavements. This problem of common materials is a classic case of a single land cover material existing for different land use scenarios. This work addresses these problems in road extraction from geo-referenced imagery by leveraging the OpenStreetMap digital road map to guide image-based road extraction. The crowd-sourced cartography has the advantages of worldwide coverage that is constantly updated. The derived road vectors follow only roads and so can serve to guide image-based road extraction with minimal confusion from occlusions and changes in road material. On the other hand, the vector road map has no information on road widths and misalignments between the vector map and the geo-referenced image are small but nonsystematic. Properly correcting misalignment between two geospatial datasets, also known as map conflation, is an essential step. A generic framework requiring minimal human intervention is described for multispectral image road extraction and automatic road map conflation. The approach relies on the road feature generation of a binary mask and a corresponding curvilinear image. A method for generating the binary road mask from the image by applying a spectral measure is presented. The spectral measure, called anisotropy-tunable distance (ATD), differs from conventional measures and is created to account for both changes of spectral direction and spectral magnitude in a unified fashion. The ATD measure is particularly suitable for differentiating urban targets such as roads and building rooftops. The curvilinear image provides estimates of the width and orientation of potential road segments. Road vectors derived from OpenStreetMap are then conflated to image road features by applying junction matching and intermediate point matching, followed by refinement with mean-shift clustering and morphological processing to produce a road mask with piecewise width estimates. The proposed approach is tested on a set of challenging, large, and diverse image data sets and the performance accuracy is assessed. The method is effective for road detection and width estimation of roads, even in challenging scenarios when extensive occlusion occurs

Iris Recognition: Robust Processing, Synthesis, Performance Evaluation and Applications

The popularity of iris biometric has grown considerably over the past few years. It has resulted in the development of a large number of new iris processing and encoding algorithms. In this dissertation, we will discuss the following aspects of the iris recognition problem: iris image acquisition, iris quality, iris segmentation, iris encoding, performance enhancement and two novel applications.;The specific claimed novelties of this dissertation include: (1) a method to generate a large scale realistic database of iris images; (2) a crosspectral iris matching method for comparison of images in color range against images in Near-Infrared (NIR) range; (3) a method to evaluate iris image and video quality; (4) a robust quality-based iris segmentation method; (5) several approaches to enhance recognition performance and security of traditional iris encoding techniques; (6) a method to increase iris capture volume for acquisition of iris on the move from a distance and (7) a method to improve performance of biometric systems due to available soft data in the form of links and connections in a relevant social network

Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet

Advanced Image Acquisition, Processing Techniques and Applications

"Advanced Image Acquisition, Processing Techniques and Applications" is the first book of a series that provides image processing principles and practical software implementation on a broad range of applications. The book integrates material from leading researchers on Applied Digital Image Acquisition and Processing. An important feature of the book is its emphasis on software tools and scientific computing in order to enhance results and arrive at problem solution