Multi-Scale 3D Scene Flow from Binocular Stereo Sequences

Scene flow methods estimate the three-dimensional motion field for points in the world, using multi-camera video data. Such methods combine multi-view reconstruction with motion estimation. This paper describes an alternative formulation for dense scene flow estimation that provides reliable results using only two cameras by fusing stereo and optical flow estimation into a single coherent framework. Internally, the proposed algorithm generates probability distributions for optical flow and disparity. Taking into account the uncertainty in the intermediate stages allows for more reliable estimation of the 3D scene flow than previous methods allow. To handle the aperture problems inherent in the estimation of optical flow and disparity, a multi-scale method along with a novel region-based technique is used within a regularized solution. This combined approach both preserves discontinuities and prevents over-regularization – two problems commonly associated with the basic multi-scale approaches. Experiments with synthetic and real test data demonstrate the strength of the proposed approach.National Science Foundation (CNS-0202067, IIS-0208876); Office of Naval Research (N00014-03-1-0108

Image Based View Synthesis

This dissertation deals with the image-based approach to synthesize a virtual scene using sparse images or a video sequence without the use of 3D models. In our scenario, a real dynamic or static scene is captured by a set of un-calibrated images from different viewpoints. After automatically recovering the geometric transformations between these images, a series of photo-realistic virtual views can be rendered and a virtual environment covered by these several static cameras can be synthesized. This image-based approach has applications in object recognition, object transfer, video synthesis and video compression. In this dissertation, I have contributed to several sub-problems related to image based view synthesis. Before image-based view synthesis can be performed, images need to be segmented into individual objects. Assuming that a scene can approximately be described by multiple planar regions, I have developed a robust and novel approach to automatically extract a set of affine or projective transformations induced by these regions, correctly detect the occlusion pixels over multiple consecutive frames, and accurately segment the scene into several motion layers. First, a number of seed regions using correspondences in two frames are determined, and the seed regions are expanded and outliers are rejected employing the graph cuts method integrated with level set representation. Next, these initial regions are merged into several initial layers according to the motion similarity. Third, the occlusion order constraints on multiple frames are explored, which guarantee that the occlusion area increases with the temporal order in a short period and effectively maintains segmentation consistency over multiple consecutive frames. Then the correct layer segmentation is obtained by using a graph cuts algorithm, and the occlusions between the overlapping layers are explicitly determined. Several experimental results are demonstrated to show that our approach is effective and robust. Recovering the geometrical transformations among images of a scene is a prerequisite step for image-based view synthesis. I have developed a wide baseline matching algorithm to identify the correspondences between two un-calibrated images, and to further determine the geometric relationship between images, such as epipolar geometry or projective transformation. In our approach, a set of salient features, edge-corners, are detected to provide robust and consistent matching primitives. Then, based on the Singular Value Decomposition (SVD) of an affine matrix, we effectively quantize the search space into two independent subspaces for rotation angle and scaling factor, and then we use a two-stage affine matching algorithm to obtain robust matches between these two frames. The experimental results on a number of wide baseline images strongly demonstrate that our matching method outperforms the state-of-art algorithms even under the significant camera motion, illumination variation, occlusion, and self-similarity. Given the wide baseline matches among images I have developed a novel method for Dynamic view morphing. Dynamic view morphing deals with the scenes containing moving objects in presence of camera motion. The objects can be rigid or non-rigid, each of them can move in any orientation or direction. The proposed method can generate a series of continuous and physically accurate intermediate views from only two reference images without any knowledge about 3D. The procedure consists of three steps: segmentation, morphing and post-warping. Given a boundary connection constraint, the source and target scenes are segmented into several layers for morphing. Based on the decomposition of affine transformation between corresponding points, we uniquely determine a physically correct path for post-warping by the least distortion method. I have successfully generalized the dynamic scene synthesis problem from the simple scene with only rotation to the dynamic scene containing non-rigid objects. My method can handle dynamic rigid or non-rigid objects, including complicated objects such as humans. Finally, I have also developed a novel algorithm for tri-view morphing. This is an efficient image-based method to navigate a scene based on only three wide-baseline un-calibrated images without the explicit use of a 3D model. After automatically recovering corresponding points between each pair of images using our wide baseline matching method, an accurate trifocal plane is extracted from the trifocal tensor implied in these three images. Next, employing a trinocular-stereo algorithm and barycentric blending technique, we generate an arbitrary novel view to navigate the scene in a 2D space. Furthermore, after self-calibration of the cameras, a 3D model can also be correctly augmented into this virtual environment synthesized by the tri-view morphing algorithm. We have applied our view morphing framework to several interesting applications: 4D video synthesis, automatic target recognition, multi-view morphing

Depth Recovery with Rectification using Single-Lens Prism based Stereovision System

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Place and Object Recognition for Real-time Visual Mapping

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