216 research outputs found

    Learning Matchable Image Transformations for Long-term Metric Visual Localization

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    Long-term metric self-localization is an essential capability of autonomous mobile robots, but remains challenging for vision-based systems due to appearance changes caused by lighting, weather, or seasonal variations. While experience-based mapping has proven to be an effective technique for bridging the `appearance gap,' the number of experiences required for reliable metric localization over days or months can be very large, and methods for reducing the necessary number of experiences are needed for this approach to scale. Taking inspiration from color constancy theory, we learn a nonlinear RGB-to-grayscale mapping that explicitly maximizes the number of inlier feature matches for images captured under different lighting and weather conditions, and use it as a pre-processing step in a conventional single-experience localization pipeline to improve its robustness to appearance change. We train this mapping by approximating the target non-differentiable localization pipeline with a deep neural network, and find that incorporating a learned low-dimensional context feature can further improve cross-appearance feature matching. Using synthetic and real-world datasets, we demonstrate substantial improvements in localization performance across day-night cycles, enabling continuous metric localization over a 30-hour period using a single mapping experience, and allowing experience-based localization to scale to long deployments with dramatically reduced data requirements.Comment: In IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L) and presented at the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA'20), Paris, France, May 31-June 4, 202

    Boundaries and Topological Algorithms

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    This thesis develops a model for the topological structure of situations. In this model, the topological structure of space is altered by the presence or absence of boundaries, such as those at the edges of objects. This allows the intuitive meaning of topological concepts such as region connectivity, function continuity, and preservation of topological structure to be modeled using the standard mathematical definitions. The thesis shows that these concepts are important in a wide range of artificial intelligence problems, including low-level vision, high-level vision, natural language semantics, and high-level reasoning

    Single-Shot Clothing Category Recognition in Free-Configurations with Application to Autonomous Clothes Sorting

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    This paper proposes a single-shot approach for recognising clothing categories from 2.5D features. We propose two visual features, BSP (B-Spline Patch) and TSD (Topology Spatial Distances) for this task. The local BSP features are encoded by LLC (Locality-constrained Linear Coding) and fused with three different global features. Our visual feature is robust to deformable shapes and our approach is able to recognise the category of unknown clothing in unconstrained and random configurations. We integrated the category recognition pipeline with a stereo vision system, clothing instance detection, and dual-arm manipulators to achieve an autonomous sorting system. To verify the performance of our proposed method, we build a high-resolution RGBD clothing dataset of 50 clothing items of 5 categories sampled in random configurations (a total of 2,100 clothing samples). Experimental results show that our approach is able to reach 83.2\% accuracy while classifying clothing items which were previously unseen during training. This advances beyond the previous state-of-the-art by 36.2\%. Finally, we evaluate the proposed approach in an autonomous robot sorting system, in which the robot recognises a clothing item from an unconstrained pile, grasps it, and sorts it into a box according to its category. Our proposed sorting system achieves reasonable sorting success rates with single-shot perception.Comment: 9 pages, accepted by IROS201

    Autonomous clothes manipulation using a hierarchical vision architecture

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    This paper presents a novel robot vision architecture for perceiving generic 3-D clothes configurations. Our architecture is hierarchically structured, starting from low-level curvature features to mid-level geometric shapes and topology descriptions, and finally, high-level semantic surface descriptions. We demonstrate our robot vision architecture in a customized dual-arm industrial robot with our inhouse developed stereo vision system, carrying out autonomous grasping and dual-arm flattening. The experimental results show the effectiveness of the proposed dual-arm flattening using the stereo vision system compared with the single-arm flattening using the widely cited Kinect-like sensor as the baseline. In addition, the proposed grasping approach achieves satisfactory performance when grasping various kind of garments, verifying the capability of the proposed visual perception architecture to be adapted to more than one clothing manipulation tasks

    Hypothesis and Verification in 3D Model Matching

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    SeqNet: Learning Descriptors for Sequence-based Hierarchical Place Recognition

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    Visual Place Recognition (VPR) is the task of matching current visual imagery from a camera to images stored in a reference map of the environment. While initial VPR systems used simple direct image methods or hand-crafted visual features, recent work has focused on learning more powerful visual features and further improving performance through either some form of sequential matcher / filter or a hierarchical matching process. In both cases the performance of the initial single-image based system is still far from perfect, putting significant pressure on the sequence matching or (in the case of hierarchical systems) pose refinement stages. In this paper we present a novel hybrid system that creates a high performance initial match hypothesis generator using short learnt sequential descriptors, which enable selective control sequential score aggregation using single image learnt descriptors. Sequential descriptors are generated using a temporal convolutional network dubbed SeqNet, encoding short image sequences using 1-D convolutions, which are then matched against the corresponding temporal descriptors from the reference dataset to provide an ordered list of place match hypotheses. We then perform selective sequential score aggregation using shortlisted single image learnt descriptors from a separate pipeline to produce an overall place match hypothesis. Comprehensive experiments on challenging benchmark datasets demonstrate the proposed method outperforming recent state-of-the-art methods using the same amount of sequential information. Source code and supplementary material can be found at https://github.com/oravus/seqNet.Comment: Accepted for publication in IEEE RA-L 2021; includes supplementar

    A stable graph-based representation for object recognition through high-order matching

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    Many Object recognition techniques perform some flavour of point pattern matching between a model and a scene. Such points are usually selected through a feature detection algorithm that is robust to a class of image transformations and a suitable descriptor is computed over them in order to get a reliable matching. Moreover, some approaches take an additional step by casting the correspondence problem into a matching between graphs defined over feature points. The motivation is that the relational model would add more discriminative power, however the overall effectiveness strongly depends on the ability to build a graph that is stable with respect to both changes in the object appearance and spatial distribution of interest points. In fact, widely used graph-based representations, have shown to suffer some limitations, especially with respect to changes in the Euclidean organization of the feature points. In this paper we introduce a technique to build relational structures over corner points that does not depend on the spatial distribution of the features

    Topological place recognition for life-long visual localization

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    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

    Place and Object Recognition for Real-time Visual Mapping

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    Este trabajo aborda dos de las principales dificultades presentes en los sistemas actuales de localización y creación de mapas de forma simultánea (del inglés Simultaneous Localization And Mapping, SLAM): el reconocimiento de lugares ya visitados para cerrar bucles en la trajectoria y crear mapas precisos, y el reconocimiento de objetos para enriquecer los mapas con estructuras de alto nivel y mejorar la interación entre robots y personas. En SLAM visual, las características que se extraen de las imágenes de una secuencia de vídeo se van acumulando con el tiempo, haciendo más laboriosos dos de los aspectos de la detección de bucles: la eliminación de los bucles incorrectos que se detectan entre lugares que tienen una apariencia muy similar, y conseguir un tiempo de ejecución bajo y factible en trayectorias largas. En este trabajo proponemos una técnica basada en vocabularios visuales y en bolsas de palabras para detectar bucles de manera robusta y eficiente, centrándonos en dos ideas principales: 1) aprovechar el origen secuencial de las imágenes de vídeo, y 2) hacer que todo el proceso pueda funcionar a frecuencia de vídeo. Para beneficiarnos del origen secuencial de las imágenes, presentamos una métrica de similaridad normalizada para medir el parecido entre imágenes e incrementar la distintividad de las detecciones correctas. A su vez, agrupamos los emparejamientos de imágenes candidatas a ser bucle para evitar que éstas compitan cuando realmente fueron tomadas desde el mismo lugar. Finalmente, incorporamos una restricción temporal para comprobar la coherencia entre detecciones consecutivas. La eficiencia se logra utilizando índices inversos y directos y características binarias. Un índice inverso acelera la comparación entre imágenes de lugares, y un índice directo, el cálculo de correspondencias de puntos entre éstas. Por primera vez, en este trabajo se han utilizado características binarias para detectar bucles, dando lugar a una solución viable incluso hasta para decenas de miles de imágenes. Los bucles se verifican comprobando la coherencia de la geometría de las escenas emparejadas. Para ello utilizamos varios métodos robustos que funcionan tanto con una como con múltiples cámaras. Presentamos resultados competitivos y sin falsos positivos en distintas secuencias, con imágenes adquiridas tanto a alta como a baja frecuencia, con cámaras frontales y laterales, y utilizando el mismo vocabulario y la misma configuración. Con descriptores binarios, el sistema completo requiere 22 milisegundos por imagen en una secuencia de 26.300 imágenes, resultando un orden de magnitud más rápido que otras técnicas actuales. Se puede utilizar un algoritmo similar al de reconocimiento de lugares para resolver el reconocimiento de objetos en SLAM visual. Detectar objetos en este contexto es particularmente complicado debido a que las distintas ubicaciones, posiciones y tamaños en los que se puede ver un objeto en una imagen son potencialmente infinitos, por lo que suelen ser difíciles de distinguir. Además, esta complejidad se multiplica cuando la comparación ha de hacerse contra varios objetos 3D. Nuestro esfuerzo en este trabajo está orientado a: 1) construir el primer sistema de SLAM visual que puede colocar objectos 3D reales en el mapa, y 2) abordar los problemas de escalabilidad resultantes al tratar con múltiples objetos y vistas de éstos. En este trabajo, presentamos el primer sistema de SLAM monocular que reconoce objetos 3D, los inserta en el mapa y refina su posición en el espacio 3D a medida que el mapa se va construyendo, incluso cuando los objetos dejan de estar en el campo de visión de la cámara. Esto se logra en tiempo real con modelos de objetos compuestos por información tridimensional y múltiples imágenes representando varios puntos de vista del objeto. Después nos centramos en la escalabilidad de la etapa del reconocimiento de los objetos 3D. Presentamos una técnica rápida para segmentar imágenes en regiones de interés para detectar objetos pequeños o lejanos. Tras ello, proponemos sustituir el modelo de objetos de vistas independientes por un modelado con una única bolsa de palabras de características binarias asociadas a puntos 3D. Creamos también una base de datos que incorpora índices inversos y directos para aprovechar sus ventajas a la hora de recuperar rápidamente tanto objetos candidatos a ser detectados como correspondencias de puntos, tal y como hacían en el caso de la detección de bucles. Los resultados experimentales muestran que nuestro sistema funciona en tiempo real en un entorno de escritorio con cámara en mano y en una habitación con una cámara montada sobre un robot autónomo. Las mejoras en el proceso de reconocimiento obtienen resultados satisfactorios, sin detecciones erróneas y con un tiempo de ejecución medio de 28 milisegundos por imagen con una base de datos de 20 objetos 3D
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