SRA: Fast Removal of General Multipath for ToF Sensors

A major issue with Time of Flight sensors is the presence of multipath interference. We present Sparse Reflections Analysis (SRA), an algorithm for removing this interference which has two main advantages. First, it allows for very general forms of multipath, including interference with three or more paths, diffuse multipath resulting from Lambertian surfaces, and combinations thereof. SRA removes this general multipath with robust techniques based on $L_1$ optimization. Second, due to a novel dimension reduction, we are able to produce a very fast version of SRA, which is able to run at frame rate. Experimental results on both synthetic data with ground truth, as well as real images of challenging scenes, validate the approach

Correction of Errors in Time of Flight Cameras

En esta tesis se aborda la corrección de errores en cámaras de profundidad basadas en tiempo de vuelo (Time of Flight - ToF). De entre las más recientes tecnologías, las cámaras ToF de modulación continua (Continuous Wave Modulation - CWM) son una alternativa prometedora para la creación de sensores compactos y rápidos. Sin embargo, existen gran variedad de errores que afectan notablemente la medida de profundidad, poniendo en compromiso posibles aplicaciones. La corrección de dichos errores propone un reto desafiante. Actualmente, se consideran dos fuentes principales de error: i) sistemático y ii) no sistemático. Mientras que el primero admite calibración, el último depende de la geometría y el movimiento relativo de la escena. Esta tesis propone métodos que abordan i) la distorsión sistemática de profundidad y dos de las fuentes de error no sistemático más relevantes: ii.a) la interferencia por multicamino (Multipath Interference - MpI) y ii.b) los artefactos de movimiento. La distorsión sistemática de profundidad en cámaras ToF surge principalmente debido al uso de señales sinusoidales no perfectas para modular. Como resultado, las medidas de profundidad aparecen distorsionadas, pudiendo ser reducidas con una etapa de calibración. Esta tesis propone un método de calibración basado en mostrar a la cámara un plano en diferentes posiciones y orientaciones. Este método no requiere de patrones de calibración y, por tanto, puede emplear los planos, que de manera natural, aparecen en la escena. El método propuesto encuentra una función que obtiene la corrección de profundidad correspondiente a cada píxel. Esta tesis mejora los métodos existentes en cuanto a precisión, eficiencia e idoneidad. La interferencia por multicamino surge debido a la superposición de la señal reflejada por diferentes caminos con la reflexión directa, produciendo distorsiones que se hacen más notables en superficies convexas. La MpI es la causa de importantes errores en la estimación de profundidad en cámaras CWM ToF. Esta tesis propone un método que elimina la MpI a partir de un solo mapa de profundidad. El enfoque propuesto no requiere más información acerca de la escena que las medidas ToF. El método se fundamenta en un modelo radio-métrico de las medidas que se emplea para estimar de manera muy precisa el mapa de profundidad sin distorsión. Una de las tecnologías líderes para la obtención de profundidad en imagen ToF está basada en Photonic Mixer Device (PMD), la cual obtiene la profundidad mediante el muestreado secuencial de la correlación entre la señal de modulación y la señal proveniente de la escena en diferentes desplazamientos de fase. Con movimiento, los píxeles PMD capturan profundidades diferentes en cada etapa de muestreo, produciendo artefactos de movimiento. El método propuesto en esta tesis para la corrección de dichos artefactos destaca por su velocidad y sencillez, pudiendo ser incluido fácilmente en el hardware de la cámara. La profundidad de cada píxel se recupera gracias a la consistencia entre las muestras de correlación en el píxel PMD y de la vecindad local. Este método obtiene correcciones precisas, reduciendo los artefactos de movimiento enormemente. Además, como resultado de este método, puede obtenerse el flujo óptico en los contornos en movimiento a partir de una sola captura. A pesar de ser una alternativa muy prometedora para la obtención de profundidad, las cámaras ToF todavía tienen que resolver problemas desafiantes en relación a la corrección de errores sistemáticos y no sistemáticos. Esta tesis propone métodos eficaces para enfrentarse con estos errores

Kinect Range Sensing: Structured-Light versus Time-of-Flight Kinect

Recently, the new Kinect One has been issued by Microsoft, providing the next generation of real-time range sensing devices based on the Time-of-Flight (ToF) principle. As the first Kinect version was using a structured light approach, one would expect various differences in the characteristics of the range data delivered by both devices. This paper presents a detailed and in-depth comparison between both devices. In order to conduct the comparison, we propose a framework of seven different experimental setups, which is a generic basis for evaluating range cameras such as Kinect. The experiments have been designed with the goal to capture individual effects of the Kinect devices as isolatedly as possible and in a way, that they can also be adopted, in order to apply them to any other range sensing device. The overall goal of this paper is to provide a solid insight into the pros and cons of either device. Thus, scientists that are interested in using Kinect range sensing cameras in their specific application scenario can directly assess the expected, specific benefits and potential problem of either device.Comment: 58 pages, 23 figures. Accepted for publication in Computer Vision and Image Understanding (CVIU

Correction of Errors in Time of Flight Cameras

En esta tesis se aborda la corrección de errores en cámaras de profundidad basadas en tiempo de vuelo (Time of Flight - ToF). De entre las más recientes tecnologías, las cámaras ToF de modulación continua (Continuous Wave Modulation - CWM) son una alternativa prometedora para la creación de sensores compactos y rápidos. Sin embargo, existen gran variedad de errores que afectan notablemente la medida de profundidad, poniendo en compromiso posibles aplicaciones. La corrección de dichos errores propone un reto desafiante. Actualmente, se consideran dos fuentes principales de error: i) sistemático y ii) no sistemático. Mientras que el primero admite calibración, el último depende de la geometría y el movimiento relativo de la escena. Esta tesis propone métodos que abordan i) la distorsión sistemática de profundidad y dos de las fuentes de error no sistemático más relevantes: ii.a) la interferencia por multicamino (Multipath Interference - MpI) y ii.b) los artefactos de movimiento. La distorsión sistemática de profundidad en cámaras ToF surge principalmente debido al uso de señales sinusoidales no perfectas para modular. Como resultado, las medidas de profundidad aparecen distorsionadas, pudiendo ser reducidas con una etapa de calibración. Esta tesis propone un método de calibración basado en mostrar a la cámara un plano en diferentes posiciones y orientaciones. Este método no requiere de patrones de calibración y, por tanto, puede emplear los planos, que de manera natural, aparecen en la escena. El método propuesto encuentra una función que obtiene la corrección de profundidad correspondiente a cada píxel. Esta tesis mejora los métodos existentes en cuanto a precisión, eficiencia e idoneidad. La interferencia por multicamino surge debido a la superposición de la señal reflejada por diferentes caminos con la reflexión directa, produciendo distorsiones que se hacen más notables en superficies convexas. La MpI es la causa de importantes errores en la estimación de profundidad en cámaras CWM ToF. Esta tesis propone un método que elimina la MpI a partir de un solo mapa de profundidad. El enfoque propuesto no requiere más información acerca de la escena que las medidas ToF. El método se fundamenta en un modelo radio-métrico de las medidas que se emplea para estimar de manera muy precisa el mapa de profundidad sin distorsión. Una de las tecnologías líderes para la obtención de profundidad en imagen ToF está basada en Photonic Mixer Device (PMD), la cual obtiene la profundidad mediante el muestreado secuencial de la correlación entre la señal de modulación y la señal proveniente de la escena en diferentes desplazamientos de fase. Con movimiento, los píxeles PMD capturan profundidades diferentes en cada etapa de muestreo, produciendo artefactos de movimiento. El método propuesto en esta tesis para la corrección de dichos artefactos destaca por su velocidad y sencillez, pudiendo ser incluido fácilmente en el hardware de la cámara. La profundidad de cada píxel se recupera gracias a la consistencia entre las muestras de correlación en el píxel PMD y de la vecindad local. Este método obtiene correcciones precisas, reduciendo los artefactos de movimiento enormemente. Además, como resultado de este método, puede obtenerse el flujo óptico en los contornos en movimiento a partir de una sola captura. A pesar de ser una alternativa muy prometedora para la obtención de profundidad, las cámaras ToF todavía tienen que resolver problemas desafiantes en relación a la corrección de errores sistemáticos y no sistemáticos. Esta tesis propone métodos eficaces para enfrentarse con estos errores

DeepToF: Off-the-shelf real-time correction of multipath interference in time-of-flight imaging

Time-of-flight (ToF) imaging has become a widespread technique for depth estimation, allowing affordable off-the-shelf cameras to provide depth maps in real time. However, multipath interference (MPI) resulting from indirect illumination significantly degrades the captured depth. Most previous works have tried to solve this problem by means of complex hardware modifications or costly computations. In this work, we avoid these approaches and propose a new technique to correct errors in depth caused by MPI, which requires no camera modifications and takes just 10 milliseconds per frame. Our observations about the nature of MPI suggest that most of its information is available in image space; this allows us to formulate the depth imaging process as a spatially-varying convolution and use a convolutional neural network to correct MPI errors. Since the input and output data present similar structure, we base our network on an autoencoder, which we train in two stages. First, we use the encoder (convolution filters) to learn a suitable basis to represent MPI-corrupted depth images; then, we train the decoder (deconvolution filters) to correct depth from synthetic scenes, generated by using a physically-based, time-resolved renderer. This approach allows us to tackle a key problem in ToF, the lack of ground-truth data, by using a large-scale captured training set with MPI-corrupted depth to train the encoder, and a smaller synthetic training set with ground truth depth to train the decoder stage of the network. We demonstrate and validate our method on both synthetic and real complex scenarios, using an off-the-shelf ToF camera, and with only the captured, incorrect depth as input

Computational multi-depth single-photon imaging

We present an imaging framework that is able to accurately reconstruct multiple depths at individual pixels from single-photon observations. Our active imaging method models the single-photon detection statistics from multiple reflectors within a pixel, and it also exploits the fact that a multi-depth profile at each pixel can be expressed as a sparse signal. We interpret the multi-depth reconstruction problem as a sparse deconvolution problem using single-photon observations, create a convex problem through discretization and relaxation, and use a modified iterative shrinkage-thresholding algorithm to efficiently solve for the optimal multi-depth solution. We experimentally demonstrate that the proposed framework is able to accurately reconstruct the depth features of an object that is behind a partially-reflecting scatterer and 4 m away from the imager with root mean-square error of 11 cm, using only 19 signal photon detections per pixel in the presence of moderate background light. In terms of root mean-square error, this is a factor of 4.2 improvement over the conventional method of Gaussian-mixture fitting for multi-depth recovery.This material is based upon work supported in part by a Samsung Scholarship, the US National Science Foundation under Grant No. 1422034, and the MIT Lincoln Laboratory Advanced Concepts Committee. We thank Dheera Venkatraman for his assistance with the experiments. (Samsung Scholarship; 1422034 - US National Science Foundation; MIT Lincoln Laboratory Advanced Concepts Committee)Accepted manuscrip

Resolving Measurement Errors Inherent with Time-of-Flight Range Imaging Cameras

Range imaging cameras measure the distance to objects in the field-of-view (FoV) of the camera, these cameras enable new machine vision applications in robotics, manufacturing, and human computer interaction. Time-of-flight (ToF) range cameras operate by illuminating the scene with amplitude modulated continuous wave (AMCW) light and measuring the phase difference between the emitted and reflected modulation envelope. Currently ToF range cameras suffer from measurement errors that are highly scene dependent, and these errors limit the accuracy of the depth measurement. The major cause of measurement errors is multiple propagation paths from the light source to pixel, known as multi path interference. Multi-path interference typically arises from: inter reflections, lens flare, subsurface scattering, volumetric scattering, and translucent objects. This thesis contributes three novel methods for resolving multi-path interference: coding in time, coding in frequency, and coding in space. Time coding is implemented by replacing the single frequency amplitude modulation with a binary sequence. Fundamental to ToF range cameras is the cross-correlation between the reflected light and a reference signal. The measured cross-correlation depends on the selection of the binary sequence. With selection of an appropriate binary sequence and using sparse deconvolution on the measured cross-correlation the multiple return path lengths and their amplitudes can be recovered. However, the minimal resolvable path length is dependent on the highest frequency in the binary sequence. Frequency coding is implemented by taking multiple measurements at different modulation frequencies. A subset of frequency coding is operating the camera in a mode analogous to stepped frequency continuous wave (SFCW). Frequency coding uses techniques from radar to resolve multiple propagation paths. The minimal resolvable path length is dependent on the camera's modulation bandwidth and the spectrum estimation technique used to recover distance, and it is shown that SFCW can be used to measure depth of objects behind a translucent sheet, while AMCW measurements can not. Path lengths below quarter a wavelength of the highest modulation frequency are difficult to resolve. The use of spatial coding is used to resolve diffuse multi-path interference. The original technique comes from direct and global separation in computer graphics, and it is modified to operate on the complex data produced by a ToF range camera. By illuminating the scene with a pattern the illuminated areas contain the direct return and the scattering (global return). The non-illuminated regions contain the scattering return, assuming the global component is spatially smooth. The direct and global separation with sinusoidal patterns is combining with the sinusoidal modulation signal of ToF range cameras for a closed form solution to multi-path interference in nine frames. With nine raw frames it is possible to implement direct and global separation at video frame rates. The RMSE of a corner is reduced from 0.0952 m to 0.0112 m. Direct and global separation correctly measures the depth of a diffuse corner, and resolves subsurface scattering however fails to resolve specular reflections. Finally the direct and global separation is combined with replacing the illumination and reference signals with a binary sequence. The combination allows for resolving diffuse multi-path interference present in a corner, with the sparse multi-path interference caused mixed pixels between the foreground and background. The corner is correctly measured and the number of mixed pixels is reduced by 90%. With the development of new methods to resolve multi-path interference ToF range cameras can measure scenes with more confidence. ToF range cameras can be built into small form factors as they require a small number of parts: a pixel array, a light source and a lens. The small form factor coupled with accurate range measurements allows ToF range cameras to be embedded in cellphones and consumer electronic devices, enabling wider adoption and advantages over competing range imaging technologies