Efficient Large-scale Approximate Nearest Neighbor Search on the GPU

We present a new approach for efficient approximate nearest neighbor (ANN) search in high dimensional spaces, extending the idea of Product Quantization. We propose a two-level product and vector quantization tree that reduces the number of vector comparisons required during tree traversal. Our approach also includes a novel highly parallelizable re-ranking method for candidate vectors by efficiently reusing already computed intermediate values. Due to its small memory footprint during traversal, the method lends itself to an efficient, parallel GPU implementation. This Product Quantization Tree (PQT) approach significantly outperforms recent state of the art methods for high dimensional nearest neighbor queries on standard reference datasets. Ours is the first work that demonstrates GPU performance superior to CPU performance on high dimensional, large scale ANN problems in time-critical real-world applications, like loop-closing in videos

Navigace mobilních robotů v neznámém prostředí s využitím měření vzdáleností

The ability of a robot to navigate itself in the environment is a crucial step towards its autonomy. Navigation as a subtask of the development of autonomous robots is the subject of this thesis, focusing on the development of a method for simultaneous localization an mapping (SLAM) of mobile robots in six degrees of freedom (DOF). As a part of this research, a platform for 3D range data acquisition based on a continuously inclined laser rangefinder was developed. This platform is presented, evaluating the measurements and also presenting the robotic equipment on which the platform can be fitted. The localization and mapping task is equal to the registration of multiple 3D images into a common frame of reference. For this purpose, a method based on the Iterative Closest Point (ICP) algorithm was developed. First, the originally implemented SLAM method is presented, focusing on the time-wise performance and the registration quality issues introduced by the implemented algorithms. In order to accelerate and improve the quality of the time-demanding 6DOF image registration, an extended method was developed. The major extension is the introduction of a factorized registration, extracting 2D representations of vertical objects called leveled maps from the 3D point sets, ensuring these representations are 3DOF invariant. The extracted representations are registered in 3DOF using ICP algorithm, allowing pre-alignment of the 3D data for the subsequent robust 6DOF ICP based registration. The extended method is presented, showing all important modifications to the original method. The developed registration method was evaluated using real 3D data acquired in different indoor environments, examining the benefits of the factorization and other extensions as well as the performance of the original ICP based method. The factorization gives promising results compared to a single phase 6DOF registration in vertically structured environments. Also, the disadvantages of the method are discussed, proposing possible solutions. Finally, the future prospects of the research are presented.Schopnost lokalizace a navigace je podmínkou autonomního provozu mobilních robotů. Předmětem této disertační práce jsou navigační metody se zaměřením na metodu pro simultánní lokalizaci a mapování (SLAM) mobilních robotů v šesti stupních volnosti (6DOF). Nedílnou součástí tohoto výzkumu byl vývoj platformy pro sběr 3D vzdálenostních dat s využitím kontinuálně naklápěného laserového řádkového scanneru. Tato platforma byla vyvinuta jako samostatný modul, aby mohla být umístěna na různé šasi mobilních robotů. Úkol lokalizace a mapování je ekvivalentní registraci více 3D obrazů do společného souřadného systému. Pro tyto účely byla vyvinuta metoda založená na algoritmu Iterative Closest Point Algorithm (ICP). Původně implementovaná verze navigační metody využívá ICP s akcelerací pomocí kd-stromů přičemž jsou zhodnoceny její kvalitativní a výkonnostní aspekty. Na základě této analýzy byly vyvinuty rozšíření původní metody založené na ICP. Jednou z hlavních modifikací je faktorizace registračního procesu, kdy tato faktorizace je založena na redukci dat: vytvoření 2D „leveled“ map (ve smyslu jednoúrovňových map) ze 3D vzdálenostních obrazů. Pro tuto redukci je technologicky i algoritmicky zajištěna invariantnost těchto map vůči třem stupňům volnosti. Tyto redukované mapy jsou registrovány pomocí ICP ve zbylých třech stupních volnosti, přičemž získaná transformace je aplikována na 3D data za účelem před-registrace 3D obrazů. Následně je provedena robustní 6DOF registrace. Rozšířená metoda je v disertační práci v popsána spolu se všemi podstatnými modifikacemi. Vyvinutá metoda byla otestována a zhodnocena s využitím skutečných 3D vzdálenostních dat naměřených v různých vnitřních prostředích. Jsou zhodnoceny přínosy faktorizace a jiných modifikací ve srovnání s původní jednofázovou 6DOF registrací, také jsou zmíněny nevýhody implementované metody a navrženy způsoby jejich řešení. Nakonec následuje návrh budoucího výzkumu a diskuse o možnostech dalšího rozvoje.

Angle Tree: Nearest Neighbor Search in High Dimensions with Low Intrinsic Dimensionality

We propose an extension of tree-based space-partitioning indexing structures for data with low intrinsic dimensionality embedded in a high dimensional space. We call this extension an Angle Tree. Our extension can be applied to both classical kd-trees as well as the more recent rp-trees. The key idea of our approach is to store the angle (the "dihedral angle") between the data region (which is a low dimensional manifold) and the random hyperplane that splits the region (the "splitter"). We show that the dihedral angle can be used to obtain a tight lower bound on the distance between the query point and any point on the opposite side of the splitter. This in turn can be used to efficiently prune the search space. We introduce a novel randomized strategy to efficiently calculate the dihedral angle with a high degree of accuracy. Experiments and analysis on real and synthetic data sets shows that the Angle Tree is the most efficient known indexing structure for nearest neighbor queries in terms of preprocessing and space usage while achieving high accuracy and fast search time.Comment: To be submitted to IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligenc