Towards binocular active vision in a robot head system

This paper presents the first results of an investigation and pilot study into an active, binocular vision system that combines binocular vergence, object recognition and attention control in a unified framework. The prototype developed is capable of identifying, targeting, verging on and recognizing objects in a highly-cluttered scene without the need for calibration or other knowledge of the camera geometry. This is achieved by implementing all image analysis in a symbolic space without creating explicit pixel-space maps. The system structure is based on the ‘searchlight metaphor’ of biological systems. We present results of a first pilot investigation that yield a maximum vergence error of 6.4 pixels, while seven of nine known objects were recognized in a high-cluttered environment. Finally a “stepping stone” visual search strategy was demonstrated, taking a total of 40 saccades to find two known objects in the workspace, neither of which appeared simultaneously within the Field of View resulting from any individual saccade

Stereo and ToF Data Fusion by Learning from Synthetic Data

Time-of-Flight (ToF) sensors and stereo vision systems are both capable of acquiring depth information but they have complementary characteristics and issues. A more accurate representation of the scene geometry can be obtained by fusing the two depth sources. In this paper we present a novel framework for data fusion where the contribution of the two depth sources is controlled by confidence measures that are jointly estimated using a Convolutional Neural Network. The two depth sources are fused enforcing the local consistency of depth data, taking into account the estimated confidence information. The deep network is trained using a synthetic dataset and we show how the classifier is able to generalize to different data, obtaining reliable estimations not only on synthetic data but also on real world scenes. Experimental results show that the proposed approach increases the accuracy of the depth estimation on both synthetic and real data and that it is able to outperform state-of-the-art methods

Reflectance Transformation Imaging (RTI) System for Ancient Documentary Artefacts

This tutorial summarises our uses of reflectance transformation imaging in archaeological contexts. It introduces the UK AHRC funded project reflectance Transformation Imaging for Anciant Documentary Artefacts and demonstrates imaging methodologies

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

Use of stereo camera systems for assessment of rockfish abundance in untrawlable areas and for recording pollock behavior during midwater trawls

We describe the application of two types of stereo camera systems in fisheries research, including the design, calibration, analysis techniques, and precision of the data obtained with these systems. The first is a stereo video system deployed by using a quick-responding winch with a live feed to provide species- and size- composition data adequate to produce acoustically based biomass estimates of rockfish. This system was tested on the eastern Bering Sea slope where rockfish were measured. Rockfish sizes were similar to those sampled with a bottom trawl and the relative error in multiple measurements of the same rockfish in multiple still-frame images was small. Measurement errors of up to 5.5% were found on a calibration target of known size. The second system consisted of a pair of still-image digital cameras mounted inside a midwater trawl. Processing of the stereo images allowed fish length, fish orientation in relation to the camera platform, and relative distance of the fish to the trawl netting to be determined. The video system was useful for surveying fish in Alaska, but it could also be used broadly in other situations where it is difficult to obtain species-composition or size-composition information. Likewise, the still-image system could be used for fisheries research to obtain data on size, position, and orientation of fish

Depth perception not found in human observers for static or dynamic anti-correlated random dot stereograms

One of the greatest challenges in visual neuroscience is that of linking neural activity with perceptual experience. In the case of binocular depth perception, important insights have been achieved through comparing neural responses and the perception of depth, for carefully selected stimuli. One of the most important types of stimulus that has been used here is the anti-correlated random dot stereogram (ACRDS). In these stimuli, the contrast polarity of one half of a stereoscopic image is reversed. While neurons in cortical area V1 respond reliably to the binocular disparities in ACRDS, they do not create a sensation of depth. This discrepancy has been used to argue that depth perception must rely on neural activity elsewhere in the brain. Currently, the psychophysical results on which this argument rests are not clear-cut. While it is generally assumed that ACRDS do not support the perception of depth, some studies have reported that some people, some of the time, perceive depth in some types of these stimuli. Given the importance of these results for understanding the neural correlates of stereopsis, we studied depth perception in ACRDS using a large number of observers, in order to provide an unambiguous conclusion about the extent to which these stimuli support the perception of depth. We presented observers with random dot stereograms in which correlated dots were presented in a surrounding annulus and correlated or anti-correlated dots were presented in a central circular region. While observers could reliably report the depth of the central region for correlated stimuli, we found no evidence for depth perception in static or dynamic anti-correlated stimuli. Confidence ratings for stereoscopic perception were uniformly low for anti-correlated stimuli, but showed normal variation with disparity for correlated stimuli. These results establish that the inability of observers to perceive depth in ACRDS is a robust phenomenon

Change blindness: eradication of gestalt strategies

Arrays of eight, texture-defined rectangles were used as stimuli in a one-shot change blindness (CB) task where there was a 50% chance that one rectangle would change orientation between two successive presentations separated by an interval. CB was eliminated by cueing the target rectangle in the first stimulus, reduced by cueing in the interval and unaffected by cueing in the second presentation. This supports the idea that a representation was formed that persisted through the interval before being 'overwritten' by the second presentation (Landman et al, 2003 Vision Research 43149–164]. Another possibility is that participants used some kind of grouping or Gestalt strategy. To test this we changed the spatial position of the rectangles in the second presentation by shifting them along imaginary spokes (by ±1 degree) emanating from the central fixation point. There was no significant difference seen in performance between this and the standard task [F(1,4)=2.565, p=0.185]. This may suggest two things: (i) Gestalt grouping is not used as a strategy in these tasks, and (ii) it gives further weight to the argument that objects may be stored and retrieved from a pre-attentional store during this task