Listening for Sirens: Locating and Classifying Acoustic Alarms in City Scenes

This paper is about alerting acoustic event detection and sound source localisation in an urban scenario. Specifically, we are interested in spotting the presence of horns, and sirens of emergency vehicles. In order to obtain a reliable system able to operate robustly despite the presence of traffic noise, which can be copious, unstructured and unpredictable, we propose to treat the spectrograms of incoming stereo signals as images, and apply semantic segmentation, based on a Unet architecture, to extract the target sound from the background noise. In a multi-task learning scheme, together with signal denoising, we perform acoustic event classification to identify the nature of the alerting sound. Lastly, we use the denoised signals to localise the acoustic source on the horizon plane, by regressing the direction of arrival of the sound through a CNN architecture. Our experimental evaluation shows an average classification rate of 94%, and a median absolute error on the localisation of 7.5{\deg} when operating on audio frames of 0.5s, and of 2.5{\deg} when operating on frames of 2.5s. The system offers excellent performance in particularly challenging scenarios, where the noise level is remarkably high.Comment: 6 pages, 9 figure

A Sensor for Urban Driving Assistance Systems Based on Dense Stereovision

Advanced driving assistance systems (ADAS) form a complex multidisciplinary research field, aimed at improving traffic efficiency and safety. A realistic analysis of the requirements and of the possibilities of the traffic environment leads to the establishment of several goals for traffic assistance, to be implemented in the near future (ADASE, INVENT

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

On Semantic Segmentation and Path Planning for Autonomous Vehicles within Off-Road Environments

There are many challenges involved in creating a fully autonomous vehicle capable of safely navigating through off-road environments. In this work we focus on two of the most prominent such challenges, namely scene understanding and path planning. Scene understanding is a challenging computer vision task with recent advances in convolutional neural networks (CNN) achieving results that notably surpass prior traditional feature driven approaches. Here, we build on recent work in urban road-scene understanding, training a state of the art CNN architecture towards the task of classifying off-road scenes. We analyse the effects of transfer learning and training data set size on CNN performance, evaluating multiple configurations of the network at multiple points during the training cycle, investigating in depth how the training process is affected. We compare this CNN to a more traditional feature-driven approach with Support Vector Machine (SVM) classifier and demonstrate state-of-the-art results in this particularly challenging problem of off-road scene understanding. We then expand on this with the addition of multi-channel RGBD data, which we encode in multiple configurations for CNN input. We evaluate each of these configuration over our own off-road RGBD data set and compare performance to that of the network model trained using RGB data. Next, we investigate end-to-end navigation, whereby a machine learning algorithm optimises to predict the vehicle control inputs of a human driver. After evaluating such a technique in an off-road environment and identifying several limitations, we propose a new approach in which a CNN learns to predict vehicle path visually, combining a novel approach to automatic training data creation with state of the art CNN architecture to map a predicted route directly onto image pixels. We then evaluate this approach using our off-road data set, and demonstrate effectiveness surpassing existing end-to-end methods

Lidar-based Obstacle Detection and Recognition for Autonomous Agricultural Vehicles

Today, agricultural vehicles are available that can drive autonomously and follow exact route plans more precisely than human operators. Combined with advancements in precision agriculture, autonomous agricultural robots can reduce manual labor, improve workflow, and optimize yield. However, as of today, human operators are still required for monitoring the environment and acting upon potential obstacles in front of the vehicle. To eliminate this need, safety must be ensured by accurate and reliable obstacle detection and avoidance systems.In this thesis, lidar-based obstacle detection and recognition in agricultural environments has been investigated. A rotating multi-beam lidar generating 3D point clouds was used for point-wise classification of agricultural scenes, while multi-modal fusion with cameras and radar was used to increase performance and robustness. Two research perception platforms were presented and used for data acquisition. The proposed methods were all evaluated on recorded datasets that represented a wide range of realistic agricultural environments and included both static and dynamic obstacles.For 3D point cloud classification, two methods were proposed for handling density variations during feature extraction. One method outperformed a frequently used generic 3D feature descriptor, whereas the other method showed promising preliminary results using deep learning on 2D range images. For multi-modal fusion, four methods were proposed for combining lidar with color camera, thermal camera, and radar. Gradual improvements in classification accuracy were seen, as spatial, temporal, and multi-modal relationships were introduced in the models. Finally, occupancy grid mapping was used to fuse and map detections globally, and runtime obstacle detection was applied on mapped detections along the vehicle path, thus simulating an actual traversal.The proposed methods serve as a first step towards full autonomy for agricultural vehicles. The study has thus shown that recent advancements in autonomous driving can be transferred to the agricultural domain, when accurate distinctions are made between obstacles and processable vegetation. Future research in the domain has further been facilitated with the release of the multi-modal obstacle dataset, FieldSAFE