Error-aware construction and rendering of multi-scan panoramas from massive point clouds

Obtaining 3D realistic models of urban scenes from accurate range data is nowadays an important research topic, with applications in a variety of fields ranging from Cultural Heritage and digital 3D archiving to monitoring of public works. Processing massive point clouds acquired from laser scanners involves a number of challenges, from data management to noise removal, model compression and interactive visualization and inspection. In this paper, we present a new methodology for the reconstruction of 3D scenes from massive point clouds coming from range lidar sensors. Our proposal includes a panorama-based compact reconstruction where colors and normals are estimated robustly through an error-aware algorithm that takes into account the variance of expected errors in depth measurements. Our representation supports efficient, GPU-based visualization with advanced lighting effects. We discuss the proposed algorithms in a practical application on urban and historical preservation, described by a massive point cloud of 3.5 billion points. We show that we can achieve compression rates higher than 97% with good visual quality during interactive inspections.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Algorithms for the reconstruction, analysis, repairing and enhancement of 3D urban models from multiple data sources

Over the last few years, there has been a notorious growth in the field of digitization of 3D buildings and urban environments. The substantial improvement of both scanning hardware and reconstruction algorithms has led to the development of representations of buildings and cities that can be remotely transmitted and inspected in real-time. Among the applications that implement these technologies are several GPS navigators and virtual globes such as Google Earth or the tools provided by the Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya. In particular, in this thesis, we conceptualize cities as a collection of individual buildings. Hence, we focus on the individual processing of one structure at a time, rather than on the larger-scale processing of urban environments. Nowadays, there is a wide diversity of digitization technologies, and the choice of the appropriate one is key for each particular application. Roughly, these techniques can be grouped around three main families: - Time-of-flight (terrestrial and aerial LiDAR). - Photogrammetry (street-level, satellite, and aerial imagery). - Human-edited vector data (cadastre and other map sources). Each of these has its advantages in terms of covered area, data quality, economic cost, and processing effort. Plane and car-mounted LiDAR devices are optimal for sweeping huge areas, but acquiring and calibrating such devices is not a trivial task. Moreover, the capturing process is done by scan lines, which need to be registered using GPS and inertial data. As an alternative, terrestrial LiDAR devices are more accessible but cover smaller areas, and their sampling strategy usually produces massive point clouds with over-represented plain regions. A more inexpensive option is street-level imagery. A dense set of images captured with a commodity camera can be fed to state-of-the-art multi-view stereo algorithms to produce realistic-enough reconstructions. One other advantage of this approach is capturing high-quality color data, whereas the geometric information is usually lacking. In this thesis, we analyze in-depth some of the shortcomings of these data-acquisition methods and propose new ways to overcome them. Mainly, we focus on the technologies that allow high-quality digitization of individual buildings. These are terrestrial LiDAR for geometric information and street-level imagery for color information. Our main goal is the processing and completion of detailed 3D urban representations. For this, we will work with multiple data sources and combine them when possible to produce models that can be inspected in real-time. Our research has focused on the following contributions: - Effective and feature-preserving simplification of massive point clouds. - Developing normal estimation algorithms explicitly designed for LiDAR data. - Low-stretch panoramic representation for point clouds. - Semantic analysis of street-level imagery for improved multi-view stereo reconstruction. - Color improvement through heuristic techniques and the registration of LiDAR and imagery data. - Efficient and faithful visualization of massive point clouds using image-based techniques.Durant els darrers anys, hi ha hagut un creixement notori en el camp de la digitalització d'edificis en 3D i entorns urbans. La millora substancial tant del maquinari d'escaneig com dels algorismes de reconstrucció ha portat al desenvolupament de representacions d'edificis i ciutats que es poden transmetre i inspeccionar remotament en temps real. Entre les aplicacions que implementen aquestes tecnologies hi ha diversos navegadors GPS i globus virtuals com Google Earth o les eines proporcionades per l'Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya. En particular, en aquesta tesi, conceptualitzem les ciutats com una col·lecció d'edificis individuals. Per tant, ens centrem en el processament individual d'una estructura a la vegada, en lloc del processament a gran escala d'entorns urbans. Avui en dia, hi ha una àmplia diversitat de tecnologies de digitalització i la selecció de l'adequada és clau per a cada aplicació particular. Aproximadament, aquestes tècniques es poden agrupar en tres famílies principals: - Temps de vol (LiDAR terrestre i aeri). - Fotogrametria (imatges a escala de carrer, de satèl·lit i aèries). - Dades vectorials editades per humans (cadastre i altres fonts de mapes). Cadascun d'ells presenta els seus avantatges en termes d'àrea coberta, qualitat de les dades, cost econòmic i esforç de processament. Els dispositius LiDAR muntats en avió i en cotxe són òptims per escombrar àrees enormes, però adquirir i calibrar aquests dispositius no és una tasca trivial. A més, el procés de captura es realitza mitjançant línies d'escaneig, que cal registrar mitjançant GPS i dades inercials. Com a alternativa, els dispositius terrestres de LiDAR són més accessibles, però cobreixen àrees més petites, i la seva estratègia de mostreig sol produir núvols de punts massius amb regions planes sobrerepresentades. Una opció més barata són les imatges a escala de carrer. Es pot fer servir un conjunt dens d'imatges capturades amb una càmera de qualitat mitjana per obtenir reconstruccions prou realistes mitjançant algorismes estèreo d'última generació per produir. Un altre avantatge d'aquest mètode és la captura de dades de color d'alta qualitat. Tanmateix, la informació geomètrica resultant sol ser de baixa qualitat. En aquesta tesi, analitzem en profunditat algunes de les mancances d'aquests mètodes d'adquisició de dades i proposem noves maneres de superar-les. Principalment, ens centrem en les tecnologies que permeten una digitalització d'alta qualitat d'edificis individuals. Es tracta de LiDAR terrestre per obtenir informació geomètrica i imatges a escala de carrer per obtenir informació sobre colors. El nostre objectiu principal és el processament i la millora de representacions urbanes 3D amb molt detall. Per a això, treballarem amb diverses fonts de dades i les combinarem quan sigui possible per produir models que es puguin inspeccionar en temps real. La nostra investigació s'ha centrat en les següents contribucions: - Simplificació eficaç de núvols de punts massius, preservant detalls d'alta resolució. - Desenvolupament d'algoritmes d'estimació normal dissenyats explícitament per a dades LiDAR. - Representació panoràmica de baixa distorsió per a núvols de punts. - Anàlisi semàntica d'imatges a escala de carrer per millorar la reconstrucció estèreo de façanes. - Millora del color mitjançant tècniques heurístiques i el registre de dades LiDAR i imatge. - Visualització eficient i fidel de núvols de punts massius mitjançant tècniques basades en imatges

Visual Dynamics: Probabilistic Future Frame Synthesis via Cross Convolutional Networks

We study the problem of synthesizing a number of likely future frames from a single input image. In contrast to traditional methods, which have tackled this problem in a deterministic or non-parametric way, we propose a novel approach that models future frames in a probabilistic manner. Our probabilistic model makes it possible for us to sample and synthesize many possible future frames from a single input image. Future frame synthesis is challenging, as it involves low- and high-level image and motion understanding. We propose a novel network structure, namely a Cross Convolutional Network to aid in synthesizing future frames; this network structure encodes image and motion information as feature maps and convolutional kernels, respectively. In experiments, our model performs well on synthetic data, such as 2D shapes and animated game sprites, as well as on real-wold videos. We also show that our model can be applied to tasks such as visual analogy-making, and present an analysis of the learned network representations.Comment: The first two authors contributed equally to this wor

Map Building and Monte Carlo Localization Using Global Appearance of Omnidirectional Images

In this paper we deal with the problem of map building and localization of a mobile robot in an environment using the information provided by an omnidirectional vision sensor that is mounted on the robot. Our main objective consists of studying the feasibility of the techniques based in the global appearance of a set of omnidirectional images captured by this vision sensor to solve this problem. First, we study how to describe globally the visual information so that it represents correctly locations and the geometrical relationships between these locations. Then, we integrate this information using an approach based on a spring-mass-damper model, to create a topological map of the environment. Once the map is built, we propose the use of a Monte Carlo localization approach to estimate the most probable pose of the vision system and its trajectory within the map. We perform a comparison in terms of computational cost and error in localization. The experimental results we present have been obtained with real indoor omnidirectional images

Discriminative learning of local image descriptors

In this paper, we explore methods for learning local image descriptors from training data. We describe a set of building blocks for constructing descriptors which can be combined together and jointly optimized so as to minimize the error of a nearest-neighbor classifier. We consider both linear and nonlinear transforms with dimensionality reduction, and make use of discriminant learning techniques such as Linear Discriminant Analysis (LDA) and Powell minimization to solve for the parameters. Using these techniques, we obtain descriptors that exceed state-of-the-art performance with low dimensionality. In addition to new experiments and recommendations for descriptor learning, we are also making available a new and realistic ground truth data set based on multiview stereo data

Topological place recognition for life-long visual localization

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2016-2017La navegación de vehículos inteligentes o robots móviles en períodos largos de tiempo ha experimentado un gran interés por parte de la comunidad investigadora en los últimos años. Los sistemas basados en cámaras se han extendido ampliamente en el pasado reciente gracias a las mejoras en sus características, precio y reducción de tamaño, añadidos a los progresos en técnicas de visión artificial. Por ello, la localización basada en visión es una aspecto clave para desarrollar una navegación autónoma robusta en situaciones a largo plazo. Teniendo en cuenta esto, la identificación de localizaciones por medio de técnicas de reconocimiento de lugar topológicas puede ser complementaria a otros enfoques como son las soluciones basadas en el Global Positioning System (GPS), o incluso suplementaria cuando la señal GPS no está disponible.El estado del arte en reconocimiento de lugar topológico ha mostrado un funcionamiento satisfactorio en el corto plazo. Sin embargo, la localización visual a largo plazo es problemática debido a los grandes cambios de apariencia que un lugar sufre como consecuencia de elementos dinámicos, la iluminación o la climatología, entre otros. El objetivo de esta tesis es enfrentarse a las dificultades de llevar a cabo una localización topológica eficiente y robusta a lo largo del tiempo. En consecuencia, se van a contribuir dos nuevos enfoques basados en reconocimiento visual de lugar para resolver los diferentes problemas asociados a una localización visual a largo plazo. Por un lado, un método de reconocimiento de lugar visual basado en descriptores binarios es propuesto. La innovación de este enfoque reside en la descripción global de secuencias de imágenes como códigos binarios, que son extraídos mediante un descriptor basado en la técnica denominada Local Difference Binary (LDB). Los descriptores son eficientemente asociados usando la distancia de Hamming y un método de búsqueda conocido como Approximate Nearest Neighbors (ANN). Además, una técnica de iluminación invariante es aplicada para mejorar el funcionamiento en condiciones luminosas cambiantes. El empleo de la descripción binaria previamente introducida proporciona una reducción de los costes computacionales y de memoria.Por otro lado, también se presenta un método de reconocimiento de lugar visual basado en deep learning, en el cual los descriptores aplicados son procesados por una Convolutional Neural Network (CNN). Este es un concepto recientemente popularizado en visión artificial que ha obtenido resultados impresionantes en problemas de clasificación de imagen. La novedad de nuestro enfoque reside en la fusión de la información de imagen de múltiples capas convolucionales a varios niveles y granularidades. Además, los datos redundantes de los descriptores basados en CNNs son comprimidos en un número reducido de bits para una localización más eficiente. El descriptor final es condensado aplicando técnicas de compresión y binarización para realizar una asociación usando de nuevo la distancia de Hamming. En términos generales, los métodos centrados en CNNs mejoran la precisión generando representaciones visuales de las localizaciones más detalladas, pero son más costosos en términos de computación.Ambos enfoques de reconocimiento de lugar visual son extensamente evaluados sobre varios datasets públicos. Estas pruebas arrojan una precisión satisfactoria en situaciones a largo plazo, como es corroborado por los resultados mostrados, que comparan nuestros métodos contra los principales algoritmos del estado del arte, mostrando mejores resultados para todos los casos.Además, también se ha analizado la aplicabilidad de nuestro reconocimiento de lugar topológico en diferentes problemas de localización. Estas aplicaciones incluyen la detección de cierres de lazo basada en los lugares reconocidos o la corrección de la deriva acumulada en odometría visual usando la información proporcionada por los cierres de lazo. Asimismo, también se consideran las aplicaciones de la detección de cambios geométricos a lo largo de las estaciones del año, que son esenciales para las actualizaciones de los mapas en sistemas de conducción autónomos centrados en una operación a largo plazo. Todas estas contribuciones son discutidas al final de la tesis, incluyendo varias conclusiones sobre el trabajo presentado y líneas de investigación futuras

The Data Big Bang and the Expanding Digital Universe: High-Dimensional, Complex and Massive Data Sets in an Inflationary Epoch

Recent and forthcoming advances in instrumentation, and giant new surveys, are creating astronomical data sets that are not amenable to the methods of analysis familiar to astronomers. Traditional methods are often inadequate not merely because of the size in bytes of the data sets, but also because of the complexity of modern data sets. Mathematical limitations of familiar algorithms and techniques in dealing with such data sets create a critical need for new paradigms for the representation, analysis and scientific visualization (as opposed to illustrative visualization) of heterogeneous, multiresolution data across application domains. Some of the problems presented by the new data sets have been addressed by other disciplines such as applied mathematics, statistics and machine learning and have been utilized by other sciences such as space-based geosciences. Unfortunately, valuable results pertaining to these problems are mostly to be found only in publications outside of astronomy. Here we offer brief overviews of a number of concepts, techniques and developments, some "old" and some new. These are generally unknown to most of the astronomical community, but are vital to the analysis and visualization of complex datasets and images. In order for astronomers to take advantage of the richness and complexity of the new era of data, and to be able to identify, adopt, and apply new solutions, the astronomical community needs a certain degree of awareness and understanding of the new concepts. One of the goals of this paper is to help bridge the gap between applied mathematics, artificial intelligence and computer science on the one side and astronomy on the other.Comment: 24 pages, 8 Figures, 1 Table. Accepted for publication: "Advances in Astronomy, special issue "Robotic Astronomy