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

Model-Based Environmental Visual Perception for Humanoid Robots

The visual perception of a robot should answer two fundamental questions: What? and Where? In order to properly and efficiently reply to these questions, it is essential to establish a bidirectional coupling between the external stimuli and the internal representations. This coupling links the physical world with the inner abstraction models by sensor transformation, recognition, matching and optimization algorithms. The objective of this PhD is to establish this sensor-model coupling

Multiple human tracking in RGB-depth data: A survey

© The Institution of Engineering and Technology. Multiple human tracking (MHT) is a fundamental task in many computer vision applications. Appearance-based approaches, primarily formulated on RGB data, are constrained and affected by problems arising from occlusions and/or illumination variations. In recent years, the arrival of cheap RGB-depth devices has led to many new approaches to MHT, and many of these integrate colour and depth cues to improve each and every stage of the process. In this survey, the authors present the common processing pipeline of these methods and review their methodology based (a) on how they implement this pipeline and (b) on what role depth plays within each stage of it. They identify and introduce existing, publicly available, benchmark datasets and software resources that fuse colour and depth data for MHT. Finally, they present a brief comparative evaluation of the performance of those works that have applied their methods to these datasets

Combining Features and Semantics for Low-level Computer Vision

Visual perception of depth and motion plays a significant role in understanding and navigating the environment. Reconstructing outdoor scenes in 3D and estimating the motion from video cameras are of utmost importance for applications like autonomous driving. The corresponding problems in computer vision have witnessed tremendous progress over the last decades, yet some aspects still remain challenging today. Striking examples are reflecting and textureless surfaces or large motions which cannot be easily recovered using traditional local methods. Further challenges include occlusions, large distortions and difficult lighting conditions. In this thesis, we propose to overcome these challenges by modeling non-local interactions leveraging semantics and contextual information. Firstly, for binocular stereo estimation, we propose to regularize over larger areas on the image using object-category specific disparity proposals which we sample using inverse graphics techniques based on a sparse disparity estimate and a semantic segmentation of the image. The disparity proposals encode the fact that objects of certain categories are not arbitrarily shaped but typically exhibit regular structures. We integrate them as non-local regularizer for the challenging object class 'car' into a superpixel-based graphical model and demonstrate its benefits especially in reflective regions. Secondly, for 3D reconstruction, we leverage the fact that the larger the reconstructed area, the more likely objects of similar type and shape will occur in the scene. This is particularly true for outdoor scenes where buildings and vehicles often suffer from missing texture or reflections, but share similarity in 3D shape. We take advantage of this shape similarity by localizing objects using detectors and jointly reconstructing them while learning a volumetric model of their shape. This allows to reduce noise while completing missing surfaces as objects of similar shape benefit from all observations for the respective category. Evaluations with respect to LIDAR ground-truth on a novel challenging suburban dataset show the advantages of modeling structural dependencies between objects. Finally, motivated by the success of deep learning techniques in matching problems, we present a method for learning context-aware features for solving optical flow using discrete optimization. Towards this goal, we present an efficient way of training a context network with a large receptive field size on top of a local network using dilated convolutions on patches. We perform feature matching by comparing each pixel in the reference image to every pixel in the target image, utilizing fast GPU matrix multiplication. The matching cost volume from the network's output forms the data term for discrete MAP inference in a pairwise Markov random field. Extensive evaluations reveal the importance of context for feature matching.Die visuelle Wahrnehmung von Tiefe und Bewegung spielt eine wichtige Rolle bei dem Verständnis und der Navigation in unserer Umwelt. Die 3D Rekonstruktion von Szenen im Freien und die Schätzung der Bewegung von Videokameras sind von größter Bedeutung für Anwendungen, wie das autonome Fahren. Die Erforschung der entsprechenden Probleme des maschinellen Sehens hat in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht, jedoch bleiben einige Aspekte heute noch ungelöst. Beispiele hierfür sind reflektierende und texturlose Oberflächen oder große Bewegungen, bei denen herkömmliche lokale Methoden häufig scheitern. Weitere Herausforderungen sind niedrige Bildraten, Verdeckungen, große Verzerrungen und schwierige Lichtverhältnisse. In dieser Arbeit schlagen wir vor nicht-lokale Interaktionen zu modellieren, die semantische und kontextbezogene Informationen nutzen, um diese Herausforderungen zu meistern. Für die binokulare Stereo Schätzung schlagen wir zuallererst vor zusammenhängende Bereiche mit objektklassen-spezifischen Disparitäts Vorschlägen zu regularisieren, die wir mit inversen Grafik Techniken auf der Grundlage einer spärlichen Disparitätsschätzung und semantischen Segmentierung des Bildes erhalten. Die Disparitäts Vorschläge kodieren die Tatsache, dass die Gegenstände bestimmter Kategorien nicht willkürlich geformt sind, sondern typischerweise regelmäßige Strukturen aufweisen. Wir integrieren sie für die komplexe Objektklasse 'Auto' in Form eines nicht-lokalen Regularisierungsterm in ein Superpixel-basiertes grafisches Modell und zeigen die Vorteile vor allem in reflektierenden Bereichen. Zweitens nutzen wir für die 3D-Rekonstruktion die Tatsache, dass mit der Größe der rekonstruierten Fläche auch die Wahrscheinlichkeit steigt, Objekte von ähnlicher Art und Form in der Szene zu enthalten. Dies gilt besonders für Szenen im Freien, in denen Gebäude und Fahrzeuge oft vorkommen, die unter fehlender Textur oder Reflexionen leiden aber ähnlichkeit in der Form aufweisen. Wir nutzen diese ähnlichkeiten zur Lokalisierung von Objekten mit Detektoren und zur gemeinsamen Rekonstruktion indem ein volumetrisches Modell ihrer Form erlernt wird. Dies ermöglicht auftretendes Rauschen zu reduzieren, während fehlende Flächen vervollständigt werden, da Objekte ähnlicher Form von allen Beobachtungen der jeweiligen Kategorie profitieren. Die Evaluierung auf einem neuen, herausfordernden vorstädtischen Datensatz in Anbetracht von LIDAR-Entfernungsdaten zeigt die Vorteile der Modellierung von strukturellen Abhängigkeiten zwischen Objekten. Zuletzt, motiviert durch den Erfolg von Deep Learning Techniken bei der Mustererkennung, präsentieren wir eine Methode zum Erlernen von kontextbezogenen Merkmalen zur Lösung des optischen Flusses mittels diskreter Optimierung. Dazu stellen wir eine effiziente Methode vor um zusätzlich zu einem Lokalen Netzwerk ein Kontext-Netzwerk zu erlernen, das mit Hilfe von erweiterter Faltung auf Patches ein großes rezeptives Feld besitzt. Für das Feature Matching vergleichen wir mit schnellen GPU-Matrixmultiplikation jedes Pixel im Referenzbild mit jedem Pixel im Zielbild. Das aus dem Netzwerk resultierende Matching Kostenvolumen bildet den Datenterm für eine diskrete MAP Inferenz in einem paarweisen Markov Random Field. Eine umfangreiche Evaluierung zeigt die Relevanz des Kontextes für das Feature Matching

Efficient Techniques for High Resolution Stereo

The purpose of stereo is extracting 3-dimensional (3D) information from 2-dimensional (2D) images, which is a fundamental problem in computer vision. In general, given a known imaging geometry the position of any 3D point observed by two or more different views can be recovered by triangulation, so 3D reconstruction task relies on figuring out the pixel’s correspondence between the reference and matching images. In general computational complexity of stereo algorithms is proportional to the image resolution (the total number of pixels) and the search space (the number of depth candidates). Hence, high resolution stereo tasks are not tractable for many existing stereo algorithms whose computational costs (including the processing time and the storage space) increase drastically with higher image resolution. The aim of this dissertation is to explore techniques aimed at improving the efficiency of high resolution stereo without any accuracy loss. The efficiency of stereo is the first focus of this dissertation. We utilize the implicit smoothness property of the local image patches and propose a general framework to reduce the search space of stereo. The accumulated matching costs (measured by the pixel similarity) are investigated to estimate the representative depths of the local patch. Then, a statistical analysis model for the search space reduction based on sequential probability ratio test is provided, and an optimal sampling scheme is proposed to find a complete and compact candidate depth set according to the structure of local regions. By integrating our optimal sampling schemes as a pre-processing stage, the performance of most existing stereo algorithms can be significantly improved. The accuracy of stereo algorithms is the second focus. We present a plane-based approach for the local geometry estimation combining with a parallel structure propagation algorithm, which outperforms most state-of-the-art stereo algorithms. To obtain precise local structures, we also address the problem of utilizing surface normals, and provide a framework to integrate color and normal information for high quality scene reconstruction.Doctor of Philosoph

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