70 research outputs found

    VISUAL ATTITUDE PROPAGATION FOR SMALL SATELLITES

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    As electronics become smaller and more capable, it has become possible to conduct meaningful and sophisticated satellite missions in a small form factor. However, the capability of small satellites and the range of possible applications are limited by the capabilities of several technologies, including attitude determination and control systems. This dissertation evaluates the use of image-based visual attitude propagation as a compliment or alternative to other attitude determination technologies that are suitable for miniature satellites. The concept lies in using miniature cameras to track image features across frames and extracting the underlying rotation. The problem of visual attitude propagation as a small satellite attitude determination system is addressed from several aspects: related work, algorithm design, hardware and performance evaluation, possible applications, and on-orbit experimentation. These areas of consideration reflect the organization of this dissertation. A “stellar gyroscope” is developed, which is a visual star-based attitude propagator that uses relative motion of stars in an imager’s field of view to infer the attitude changes. The device generates spacecraft relative attitude estimates in three degrees of freedom. Algorithms to perform the star detection, correspondence, and attitude propagation are presented. The Random Sample Consensus (RANSAC) approach is applied to the correspondence problem to successfully pair stars across frames while mitigating false-positive and false-negative star detections. This approach provides tolerance to the noise levels expected in using miniature optics and no baffling, and the noise caused by radiation dose on orbit. The hardware design and algorithms are validated using test images of the night sky. The application of the stellar gyroscope as part of a CubeSat attitude determination and control system is described. The stellar gyroscope is used to augment a MEMS gyroscope attitude propagation algorithm to minimize drift in the absence of an absolute attitude sensor. The stellar gyroscope is a technology demonstration experiment on KySat-2, a 1-Unit CubeSat being developed in Kentucky that is in line to launch with the NASA ELaNa CubeSat Launch Initiative. It has also been adopted by industry as a sensor for CubeSat Attitude Determination and Control Systems (ADCS)

    Automated Complexity-Sensitive Image Fusion

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    To construct a complete representation of a scene with environmental obstacles such as fog, smoke, darkness, or textural homogeneity, multisensor video streams captured in diferent modalities are considered. A computational method for automatically fusing multimodal image streams into a highly informative and unified stream is proposed. The method consists of the following steps: 1. Image registration is performed to align video frames in the visible band over time, adapting to the nonplanarity of the scene by automatically subdividing the image domain into regions approximating planar patches 2. Wavelet coefficients are computed for each of the input frames in each modality 3. Corresponding regions and points are compared using spatial and temporal information across various scales 4. Decision rules based on the results of multimodal image analysis are used to combine thewavelet coefficients from different modalities 5. The combined wavelet coefficients are inverted to produce an output frame containing useful information gathered from the available modalities Experiments show that the proposed system is capable of producing fused output containing the characteristics of color visible-spectrum imagery while adding information exclusive to infrared imagery, with attractive visual and informational properties

    Resolution of grain scale interactions using the Discrete Element Method

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    Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Civil and Environmental Engineering, 2006.Includes bibliographical references (p. 201-221).Granular materials are an integral part of many engineering systems. Currently, a popular tool for numerically investigating granular systems is the Discrete Element Method (DEM). Nearly all implementations of the DEM, however, use spheres to represent particles despite mounting evidence showing that shape at multiple scales (sphericity, angularity, and friction) plays a role in granular material behavior. This thesis contributes a new non-spherical representation to model particles as ellipsoidal bodies. This is validated and benchmarked against current representations and is shown to have attractive computational efficiency and numerical stability. A numerical study of the formation of heaps using spheres and ellipsoids both validates the ellipsoid representation and illustrates shape-induced behavioral differences. Resolution of shape is extended by a new algorithm for a hierarchical, multi-scale representation of convex particle surface characteristics. Two applications are offered: (1) a micro-asperity model is used to demonstrate pair-wise interlocking, and (2) a surface-based cohesive contact law is validated using a series of virtual numerical pull-off tests, which agree well with experimental findings. An explicit quadrature algorithm based on quaternion rotation is developed and shown to more accurately determine rotational orientation with less computational effort than other common algorithms for integrating finite rotations.(cont.) Finally, a contact resolution algorithm between discrete elements and a polyhedral boundary is developed and shown to scale in O(M + N) versus common algorithms with scaling of O(NM), where N is the number of discrete elements and M the number of faces on the polyhedral boundary. These developments are illustrated with numerical studies to simulate the blending kinetics of cohesive, micron-scale pharmaceutical powders in V-shaped and cylindrical bench-scale blenders.by Scott Matthew Johnson.Ph.D

    Surface Deformation Potentials on Meshes for Computer Graphics and Visualization

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    Shape deformation models have been used in computer graphics primarily to describe the dynamics of physical deformations like cloth draping, collisions of elastic bodies, fracture, or animation of hair. Less frequent is their application to problems not directly related to a physical process. In this thesis we apply deformations to three problems in computer graphics that do not correspond to physical deformations. To this end, we generalize the physical model by modifying the energy potential. Originally, the energy potential amounts to the physical work needed to deform a body from its rest state into a given configuration and relates material strain to internal restoring forces that act to restore the original shape. For each of the three problems considered, this potential is adapted to reflect an application specific notion of shape. Under the influence of further constraints, our generalized deformation results in shapes that balance preservation of certain shape properties and application specific objectives similar to physical equilibrium states. The applications discussed in this thesis are surface parameterization, interactive shape editing and automatic design of panorama maps. For surface parameterization, we interpret parameterizations over a planar domain as deformations from a flat initial configuration onto a given surface. In this setting, we review existing parameterization methods by analyzing properties of their potential functions and derive potentials accounting for distortion of geometric properties. Interactive shape editing allows an untrained user to modify complex surfaces, be simply grabbing and moving parts of interest. A deformation model interactively extrapolates the transformation from those parts to the rest of the surface. This thesis proposes a differential shape representation for triangle meshes leading to a potential that can be optimized interactively with a simple, tailored algorithm. Although the potential is not physically accurate, it results in intuitive deformation behavior and can be parameterized to account for different material properties. Panorama maps are blends between landscape illustrations and geographic maps that are traditionally painted by an artist to convey geographic surveyknowledge on public places like ski resorts or national parks. While panorama maps are not drawn to scale, the shown landscape remains recognizable and the observer can easily recover details necessary for self location and orientation. At the same time, important features as trails or ski slopes appear not occluded and well visible. This thesis proposes the first automatic panorama generation method. Its basis is again a surface deformation, that establishes the necessary compromise between shape preservation and feature visibility.Potentiale zur FlĂ€chendeformation auf Dreiecksnetzen fĂŒr Anwendungen in der Computergrafik und Visualisierung Deformationsmodelle werden in der Computergrafik bislang hauptsĂ€chlich eingesetzt, um die Dynamik physikalischer Deformationsprozesse zu modellieren. GĂ€ngige Beispiele sind Bekleidungssimulationen, Kollisionen elastischer Körper oder Animation von Haaren und Frisuren. Deutlich seltener ist ihre Anwendung auf Probleme, die nicht direkt physikalischen Prozessen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit werden Deformationsmodelle auf drei Probleme der Computergrafik angewandt, die nicht unmittelbar einem physikalischen Deformationsprozess entsprechen. Zu diesem Zweck wird das physikalische Modell durch eine passende Änderung der potentiellen Energie verallgemeinert. Die potentielle Energie entspricht normalerweise der physikalischen Arbeit, die aufgewendet werden muss, um einen Körper aus dem Ruhezustand in eine bestimmte Konfiguration zu verformen. DarĂŒber hinaus setzt sie die aktuelle Verformung in Beziehung zu internen SpannungskrĂ€ften, die wirken um die ursprĂŒngliche Form wiederherzustellen. In dieser Arbeit passen wir fĂŒr jedes der drei betrachteten Problemfelder die potentielle Energie jeweils so an, dass sie eine anwendungsspezifische Definition von Form widerspiegelt. Unter dem Einfluss weiterer Randbedingungen fĂŒhrt die so verallgemeinerte Deformation zu einer FlĂ€che, die eine Balance zwischen der Erhaltung gewisser Formeigenschaften und Zielvorgaben der Anwendung findet. Diese Balance entspricht dem Equilibrium einer physikalischen Deformation. Die drei in dieser Arbeit diskutierten Anwendungen sind OberflĂ€chenparameterisierung, interaktives Bearbeiten von FlĂ€chen und das vollautomatische Erzeugen von Panoramakarten im Stile von Heinrich Berann. Zur OberflĂ€chenparameterisierung interpretieren wir Parameterisierungen ĂŒber einem flachen Parametergebiet als Deformationen, die ein ursprĂŒnglich ebenes FlĂ€chenstĂŒck in eine gegebene OberflĂ€che verformen. Innerhalb dieses Szenarios vergleichen wir dann existierende Methoden zur planaren Parameterisierung, indem wir die resultierenden potentiellen Energien analysieren, und leiten weitere Potentiale her, die die Störung geometrischer Eigenschaften wie FlĂ€che und Winkel erfassen. Verfahren zur interaktiven FlĂ€chenbearbeitung ermöglichen schnelle und intuitive Änderungen an einer komplexen OberflĂ€che. Dazu wĂ€hlt der Benutzer Teile der FlĂ€che und bewegt diese durch den Raum. Ein Deformationsmodell extrapoliert interaktiv die Transformation der gewĂ€hlten Teile auf die restliche FlĂ€che. Diese Arbeit stellt eine neue differentielle FlĂ€chenreprĂ€sentation fĂŒr diskrete FlĂ€chen vor, die zu einem einfach und interaktiv zu optimierendem Potential fĂŒhrt. Obwohl das vorgeschlagene Potential nicht physikalisch korrekt ist, sind die resultierenden Deformationen intuitiv. Mittels eines Parameters lassen sich außerdem bestimmte Materialeigenschaften einstellen. Panoramakarten im Stile von Heinrich Berann sind eine Verschmelzung von Landschaftsillustration und geographischer Karte. Traditionell werden sie so von Hand gezeichnet, dass bestimmt Merkmale wie beispielsweise Skipisten oder Wanderwege in einem Gebiet unverdeckt und gut sichtbar bleiben, was große Kunstfertigkeit verlangt. Obwohl diese Art der Darstellung nicht maßstabsgetreu ist, sind Abweichungen auf den ersten Blick meistens nicht zu erkennen. Dadurch kann der Betrachter markante Details schnell wiederfinden und sich so innerhalb des Gebietes orientieren. Diese Arbeit stellt das erste, vollautomatische Verfahren zur Erzeugung von Panoramakarten vor. Grundlage ist wiederum eine verallgemeinerte OberflĂ€chendeformation, die sowohl auf Formerhaltung als auch auf die Sichtbarkeit vorgegebener geographischer Merkmale abzielt

    Aeronautical Engineering: A continuing bibliography, supplement 116

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    This bibliography lists 550 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in November 1979

    Image Registration Workshop Proceedings

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    Automatic image registration has often been considered as a preliminary step for higher-level processing, such as object recognition or data fusion. But with the unprecedented amounts of data which are being and will continue to be generated by newly developed sensors, the very topic of automatic image registration has become and important research topic. This workshop presents a collection of very high quality work which has been grouped in four main areas: (1) theoretical aspects of image registration; (2) applications to satellite imagery; (3) applications to medical imagery; and (4) image registration for computer vision research

    Stereo-based Pedestrian Detection and Path Prediction

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    In den letzten Jahren gab es eine rasante Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen (Englisch: Advanced Driver Assistance Systems oder kurz ADAS). Diese Systeme unterstĂŒtzen nicht nur den Fahrer, sondern erhöhen durch das automatische Einleiten von Sicherheitreaktionen des Fahrzeuges selber auch die Sicherheit aller anderen Verkehrsteilnehmer. ZukĂŒnftige aktive FußgĂ€ngerschutzsystem in Intelligentem Fahrzeugen mĂŒssen nun noch einen Schritt weiter gehen und lernen, ein genaues Bild ihrer Umgebung und der darin wĂ€hrend der Fahrt zu erwartenden Änderungen zu entwickeln. Diese Arbeit widmet sich der Verbesserung bildgestĂŒtzter FußgĂ€ngerschutzsysteme. Es werden darin neue Methoden der Bildhypothesengenerierung (englisch: region of interest (ROI) generation), FußgĂ€ngerklassifikation, Pfadvorhersage und Absichstserkennung entwickelt. Die Leistung der FußgĂ€ngererkennung in realen, dynamischen Umgebungen mittels einer bewegten Kamera wird durch die Verwendung von dichtem Stereo in den unterschiedlichen Modulen verbessert. In einer Experimentalstudie wurde die Effizienz eines Systems zur monokularen FußgĂ€ngererkennung mit einem System verglichen, dass erweitert wurde um dichtes Stereo fĂŒr die Hypothesengenerierung und der FußgĂ€ngerverfolgung (englisch: tracking) zu nutzen. Das neue System erwies sich hierin als deutlich effizienter als das monokulare System. Diese Leistungssteigerung gab Anlass fĂŒr eine erweiterte Nutzung von dichtem Stereo bei der FußgĂ€ngererkennung. Die Hypothesengenerierung wurde durch die dynamische SchĂ€tzung der Kameraorientierung und des Straßenprofils weiter verbessert. Insbesondere bei hĂŒgeligen Straßen steigerte sich die Erkennungsleistung durch die Optimierung des Suchbereichs. ZusĂ€tzlich konnte die Klassifikationsleistung durch die Fusion von unterschiedlichen Merkmalen aus Bild und Tiefeninformation verbessert werden. Aufbauend auf den Erfolgen bei der FußgĂ€ngererkennung wird in der Arbeit ein System fĂŒr den Aktiven FußgĂ€ngerschutz vorgestellt, welches die Funktionen FußgĂ€ngererkennung, Situationsanalyse und Fahrzeugsteuerung kombiniert. FĂŒr die FußgĂ€ngerkennung wurden Ergebnisse eines Verfahrens zur bewegungsbasierten Objekterkennung mit Ergebnissen eines FußgĂ€ngerklassifikators fusioniert. Das System wurde in einen VersuchstrĂ€ger eingebaut und half dabei, UnfĂ€lle durch einen aktiven Lenkeingriff oder ein Notbremsemanöver zu vermeiden. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit dem Problem der Pfadvorhersage und dem Erkennen der FußgĂ€ngerabsicht in Situationen, in denen sich der FußgĂ€nger nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt. Zwei neue, lernbasierte AnsĂ€tze werden vorgestellt und mit aktuellen Verfahren verglichen. Durch die Verwendung von Merkmalen, die aus dichtem optischem Fluss generiert werden, ist es möglich den Pfad und die Absicht einer FußgĂ€ngers vorherzusagen. Das erste Verfahren lernt eine niedrigdimensionale Mannigfaltigkeit der Merkmale, die eine Vorhersage von Merkmale, Pfad und Absicht erlaubt. Das zweite Verfahren verwendet einen Suchbaum in dem Trajektorien abgelegt sind die mit Bewegungsmerkmalen erweitert wurden. Ein probabilistischer Suchalgorithmus ermöglicht die Vorhersage des FußgĂ€ngerpfads und Absicht. Die LeistungsfĂ€higkeit der Systeme wurde zusĂ€tzlich mit der Leistung von menschlichen Probanden verglichen. In dieser Arbeit wurde großer Wert auf die ausfĂŒhrliche Analyse der vorgestellten Verfahren und die Verwendung von realistischen TestdatensĂ€tzen gelegt. Die Experimente zeigen das die LeistungsfĂ€higkeit eines Systems zur FußgĂ€ngererkennung durch die Verwendung von dichtem Stereo verbessert werden kann. Die Vorgestellten Verfahren zur Pfadvorhersage und Absichtserkennung ermöglichen ein frĂŒhzeitiges erkenne der FußgĂ€ngerabsicht. Die ZuverlĂ€ssigkeit zukĂŒnftiger System fĂŒr den Aktiven FußgĂ€ngerschutz, die durch Aktiven Lenkeingriff oder Notbremsemanöver UnfĂ€lle vermeiden, kann mit den vorgestellten Verfahren verbessert werden. Dadurch können UnfĂ€lle vollstĂ€ndig verhindert oder die Schwere einer Kollision reduziert werden
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