Contributions to Intelligent Scene Understanding of Unstructured Environments from 3D lidar sensors

Además, la viabilidad de este enfoque es evaluado mediante la implementación de cuatro tipos de clasificadores de aprendizaje supervisado encontrados en métodos de procesamiento de escenas: red neuronal, máquina de vectores de soporte, procesos gaussianos, y modelos de mezcla gaussiana. La segmentación de objetos es un paso más allá hacia el entendimiento de escena, donde conjuntos de puntos 3D correspondientes al suelo y otros objetos de la escena son aislados. La tesis propone nuevas contribuciones a la segmentación de nubes de puntos basados en mapas de vóxeles caracterizados geométricamente. En concreto, la metodología propuesta se compone de dos pasos: primero, una segmentación del suelo especialmente diseñado para entornos naturales; y segundo, el posterior aislamiento de objetos individuales. Además, el método de segmentación del suelo es integrado en una nueva técnica de mapa de navegabilidad basado en cuadrícula de ocupación el cuál puede ser apropiado para robots móviles en entornos naturales. El diseño y desarrollo de un nuevo y asequible sensor lidar 3D de alta resolución también se ha propuesto en la tesis. Los nuevos MBLs, tales como los desarrollados por Velodyne, están siendo cada vez más un tipo de sensor 3D asequible y popular que ofrece alto ratio de datos en un campo de visión vertical (FOV) limitado. El diseño propuesto consiste en una plataforma giratoria que mejora la resolución y el FOV vertical de un Velodyne VLP-16 de 16 haces. Además, los complejos patrones de escaneo producidos por configuraciones de MBL que rotan se analizan tanto en simulaciones de esfera hueca como en escáneres reales en entornos representativos. Fecha de Lectura de Tesis: 11 de julio 2018.Ingeniería de Sistemas y Automática Resumen tesis: Los sensores lidar 3D son una tecnología clave para navegación, localización, mapeo y entendimiento de escenas en vehículos no tripulados y robots móviles. Esta tecnología, que provee nubes de puntos densas, puede ser especialmente adecuada para nuevas aplicaciones en entornos naturales o desestructurados, tales como búsqueda y rescate, exploración planetaria, agricultura, o exploración fuera de carretera. Esto es un desafío como área de investigación que incluye disciplinas que van desde el diseño de sensor a la inteligencia artificial o el aprendizaje automático (machine learning). En este contexto, esta tesis propone contribuciones al entendimiento inteligente de escenas en entornos desestructurados basado en medidas 3D de distancia a nivel del suelo. En concreto, las contribuciones principales incluyen nuevas metodologías para la clasificación de características espaciales, segmentación de objetos, y evaluación de navegabilidad en entornos naturales y urbanos, y también el diseño y desarrollo de un nuevo lidar rotatorio multi-haz (MBL). La clasificación de características espaciales es muy relevante porque es extensamente requerida como un paso fundamental previo a los problemas de entendimiento de alto nivel de una escena. Las contribuciones de la tesis en este respecto tratan de mejorar la eficacia, tanto en carga computacional como en precisión, de clasificación de aprendizaje supervisado de características de forma espacial (forma tubular, plana o difusa) obtenida mediante el análisis de componentes principales (PCA). Esto se ha conseguido proponiendo un concepto eficiente de vecindario basado en vóxel en una contribución original que define los procedimientos de aprendizaje “offline” y clasificación “online” a la vez que cinco definiciones alternativas de vectores de características basados en PCA

Modélisation bayésienne et robotique

This document describes my research around Bayesian modeling and robotics. My work started with the modeling of biological processes before evolving towards robotics. In both cases, I was interested in both perception and action. I first proposed a model of human perception of planar surfaces with optic flow which fuses in a single framework two concurrent hypotheses of the literature. I also proposed and compared several models of eye movement selection in a Multiple Object Tracking task. I was able to show that the model with explicit uncertainty was the closest to the subjects eye movements.In robotics, I worked on the state estimation of several robots with classical filtering techniques but also including fusion of multiple sources of information of various nature and characteristics. I also discuss the Iterative Closest Point algorithm for which we proposed a more rigorous method for evaluating the different variants. The last piece of work I present deals with online three-dimensional path planning and execution of a tracked robot with significant climbing capabilities.I conclude this document with perspectives on what I call situated robotics, that is robots not taken in isolation but embedded in a sensorized environment shared with humans.Ce document décrit mes travaux de recherche autour de la modélisation bayésienne et de la robotique. Mon travail a commencé par la modélisation de processus biologiques avant, dans un deuxième temps, d'évoluer vers la robotique. Dans les deux cas, je me suis intéressé à la fois à la perception et à l'action. J'ai donc proposé un modèle de la perception humaine de plans par le flux optique qui réunit deux hypothèses de la littérature dans un cadre unique. J'ai aussi proposé et comparé différents modèle de la sélection de mouvement oculaire dans une tâche de suivi multi-cibles, et montré que le modèle prenant en compte explicitement l'incertitude proposait des mouvements plus proches de ceux des sujets.Du côté robotique, j'ai travaillé sur l'estimation d'état de plusieurs robots avec des techniques classiques de filtrage mais en incluant la fusion de plusieurs sources d'informations de nature et caractéristiques différentes. Je discute aussi de l'algorithme d'Iterative Closest Point pour proposer une méthode plus rigoureuse d'évaluation des différentes variantes. Le dernier travail que je présente concerne la planification en ligne et l'exécution de chemin pour un robot à chenille avec des capacités de franchissement importantes.Je conclus ce document par des perspectives de travail sur ce que j'appelle la robotique située, c'est-à-dire des robots non plus isolés mais plongés dans un environnement équipé de capteurs et partagé avec des humains

Interactive Rendering of Scattering and Refraction Effects in Heterogeneous Media

In this dissertation we investigate the problem of interactive and real-time visualization of single scattering, multiple scattering and refraction effects in heterogeneous volumes. Our proposed solutions span a variety of use scenarios: from a very fast yet physically-based approximation to a physically accurate simulation of microscopic light transmission. We add to the state of the art by introducing a novel precomputation and sampling strategy, a system for efficiently parallelizing the computation of different volumetric effects, and a new and fast version of the Discrete Ordinates Method. Finally, we also present a collateral work on real-time 3D acquisition devices

Robotics 2010

Without a doubt, robotics has made an incredible progress over the last decades. The vision of developing, designing and creating technical systems that help humans to achieve hard and complex tasks, has intelligently led to an incredible variety of solutions. There are barely technical fields that could exhibit more interdisciplinary interconnections like robotics. This fact is generated by highly complex challenges imposed by robotic systems, especially the requirement on intelligent and autonomous operation. This book tries to give an insight into the evolutionary process that takes place in robotics. It provides articles covering a wide range of this exciting area. The progress of technical challenges and concepts may illuminate the relationship between developments that seem to be completely different at first sight. The robotics remains an exciting scientific and engineering field. The community looks optimistically ahead and also looks forward for the future challenges and new development