Design methodology for 360-degree immersive video applications

360-degree immersive video applications for Head Mounted Display (HMD) devices offer great potential in providing engaging forms of experiential media solutions. Design challenges emerge though by this new kind of immersive media due to the 2D form of resources used for their construction, the lack of depth, the limited interaction, and the need to address the sense of presence. In addition, the use of Virtual Reality (VR) is related to cybersickness effects imposing further implications in moderate motion design tasks. This research project provides a systematic methodological approach in addressing those challenges and implications in 360-degree immersive video applications design. By studying and analysing methods and techniques efficiently used in the area of VR and Games design, a rigorous methodological design process is proposed. This process is introduced by the specification of the iVID (Immersive Video Interaction Design) framework. The efficiency of the iVID framework and the design methods and techniques it proposes is evaluated through two phases of user studies. Two different 360-degree immersive video prototypes have been created to serve the studies purposes. The analysis of the purposes of the studies ed to the definition of a set of design guidelines to be followed along with the iVID framework for designing 360-degree video-based experiences that are engaging and immersive

Motion parallax for 360° RGBD video

We present a method for adding parallax and real-time playback of 360° videos in Virtual Reality headsets. In current video players, the playback does not respond to translational head movement, which reduces the feeling of immersion, and causes motion sickness for some viewers. Given a 360° video and its corresponding depth (provided by current stereo 360° stitching algorithms), a naive image-based rendering approach would use the depth to generate a 3D mesh around the viewer, then translate it appropriately as the viewer moves their head. However, this approach breaks at depth discontinuities, showing visible distortions, whereas cutting the mesh at such discontinuities leads to ragged silhouettes and holes at disocclusions. We address these issues by improving the given initial depth map to yield cleaner, more natural silhouettes. We rely on a three-layer scene representation, made up of a foreground layer and two static background layers, to handle disocclusions by propagating information from multiple frames for the first background layer, and then inpainting for the second one. Our system works with input from many of today''s most popular 360° stereo capture devices (e.g., Yi Halo or GoPro Odyssey), and works well even if the original video does not provide depth information. Our user studies confirm that our method provides a more compelling viewing experience than without parallax, increasing immersion while reducing discomfort and nausea

Comparing of radial and tangencial geometric for cylindric panorama

Cameras generally have a field of view only large enough to capture a portion of their surroundings. The goal of immersion is to replace many of your senses with virtual ones, so that the virtual environment will feel as real as possible. Panoramic cameras are used to capture the entire 360°view, also known as panoramic images.Virtual reality makes use of these panoramic images to provide a more immersive experience compared to seeing images on a 2D screen. This thesis, which is in the field of Computer vision, focuses on establishing a multi-camera geometry to generate a cylindrical panorama image and successfully implementing it with the cheapest cameras possible. The specific goal of this project is to propose the cameras geometry which will decrease artifact problems related to parallax in the panorama image. We present a new approach of cylindrical panoramic images from multiple cameras which its setup has cameras placed evenly around a circle. Instead of looking outward, which is the traditional ”radial” configuration, we propose to make the optical axes tangent to the camera circle, a ”tangential” configuration. Beside an analysis and comparison of radial and tangential geometries, we provide an experimental setup with real panoramas obtained in realistic conditionsLes caméras ont généralement un champ de vision à peine assez grand pour capturer partie de leur environnement. L’objectif de l’immersion est de remplacer virtuellement un grand nombre de sens, de sorte que l’environnement virtuel soit perçu comme le plus réel possible. Une caméra panoramique est utilisée pour capturer l’ensemble d’une vue 360°, également connue sous le nom d’image panoramique. La réalité virtuelle fait usage de ces images panoramiques pour fournir une expérience plus immersive par rapport aux images sur un écran 2D. Cette thèse, qui est dans le domaine de la vision par ordinateur, s’intéresse à la création d’une géométrie multi-caméras pour générer une image cylindrique panoramique et vise une mise en œuvre avec les caméras moins chères possibles. L’objectif spécifique de ce projet est de proposer une géométrie de caméra qui va diminuer au maximum les problèmes d’artefacts liés au parallaxe présent dans l’image panoramique. Nous présentons une nouvelle approche de capture des images panoramiques cylindriques à partir de plusieurs caméras disposées uniformément autour d’un cercle. Au lieu de regarder vers l’extérieur, ce qui est la configuration traditionnelle ”radiale”, nous proposons de rendre les axes optiques tangents au cercle des caméras, une configuration ”tangentielle”. Outre une analyse et la comparaison des géométries radiales et tangentielles, nous fournissons un montage expérimental avec de vrais panoramas obtenus dans des conditions réaliste

Motion Segmentation - Segmentation of Independently Moving Objects in Video

The ability to recognize motion is one of the most important functions of our visual system. Motion allows us both to recognize objects and to get a better understanding of the 3D world in which we are moving. Because of its importance, motion is used to answer a wide variety of fundamental questions in computer vision such as: (1) Which objects are moving independently in the world? (2) Which objects are close and which objects are far away? (3) How is the camera moving?My work addresses the problem of moving object segmentation in unconstrained videos. I developed a probabilistic approach to segment independently moving objects in a video sequence, connecting aspects of camera motion estimation, relative depth and flow statistics. My work consists of three major parts: Modeling motion using a simple (rigid) motion model strictly following the principles of perspective projection and segmenting the video into its different motion components by assigning each pixel to its most likely motion model in a Bayesian fashion. Combining piecewise rigid motions to more complex, deformable and articulated objects, guided by learned semantic object segmentations. Learning highly variable motion patterns using a neural network trained on synthetic (unlimited) training data. Training data is automatically generated strictly following the principles of perspective projection. In this way well-known geometric constraints are precisely characterized during training to learn the principles of motion segmentation rather than identifying well-known structures that are likely to move. This work shows that a careful analysis of the motion field not only leads to a consistent segmentation of moving objects in a video sequence, but also helps us understand the scene geometry of the world we are moving in

A window to the past through modern urban environments: Developing a photogrammetric workflow for the orientation parameter estimation of historical images

The ongoing process of digitization in archives is providing access to ever-increasing historical image collections. In many of these repositories, images can typically be viewed in a list or gallery view. Due to the growing number of digitized objects, this type of visualization is becoming increasingly complex. Among other things, it is difficult to determine how many photographs show a particular object and spatial information can only be communicated via metadata. Within the scope of this thesis, research is conducted on the automated determination and provision of this spatial data. Enhanced visualization options make this information more eas- ily accessible to scientists as well as citizens. Different types of visualizations can be presented in three-dimensional (3D), Virtual Reality (VR) or Augmented Reality (AR) applications. However, applications of this type require the estimation of the photographer’s point of view. In the photogrammetric context, this is referred to as estimating the interior and exterior orientation parameters of the camera. For determination of orientation parameters for single images, there are the established methods of Direct Linear Transformation (DLT) or photogrammetric space resection. Using these methods requires the assignment of measured object points to their homologue image points. This is feasible for single images, but quickly becomes impractical due to the large amount of images available in archives. Thus, for larger image collections, usually the Structure-from-Motion (SfM) method is chosen, which allows the simultaneous estimation of the interior as well as the exterior orientation of the cameras. While this method yields good results especially for sequential, contemporary image data, its application to unsorted historical photographs poses a major challenge. In the context of this work, which is mainly limited to scenarios of urban terrestrial photographs, the reasons for failure of the SfM process are identified. In contrast to sequential image collections, pairs of images from different points in time or from varying viewpoints show huge differences in terms of scene representation such as deviations in the lighting situation, building state, or seasonal changes. Since homologue image points have to be found automatically in image pairs or image sequences in the feature matching procedure of SfM, these image differences pose the most complex problem. In order to test different feature matching methods, it is necessary to use a pre-oriented historical dataset. Since such a benchmark dataset did not exist yet, eight historical image triples (corresponding to 24 image pairs) are oriented in this work by manual selection of homologue image points. This dataset allows the evaluation of frequently new published methods in feature matching. The initial methods used, which are based on algorithmic procedures for feature matching (e.g., Scale Invariant Feature Transform (SIFT)), provide satisfactory results for only few of the image pairs in this dataset. By introducing methods that use neural networks for feature detection and feature description, homologue features can be reliably found for a large fraction of image pairs in the benchmark dataset. In addition to a successful feature matching strategy, determining camera orientation requires an initial estimate of the principal distance. Hence for historical images, the principal distance cannot be directly determined as the camera information is usually lost during the process of digitizing the analog original. A possible solution to this problem is to use three vanishing points that are automatically detected in the historical image and from which the principal distance can then be determined. The combination of principal distance estimation and robust feature matching is integrated into the SfM process and allows the determination of the interior and exterior camera orientation parameters of historical images. Based on these results, a workflow is designed that allows archives to be directly connected to 3D applications. A search query in archives is usually performed using keywords, which have to be assigned to the corresponding object as metadata. Therefore, a keyword search for a specific building also results in hits on drawings, paintings, events, interior or detailed views directly connected to this building. However, for the successful application of SfM in an urban context, primarily the photographic exterior view of the building is of interest. While the images for a single building can be sorted by hand, this process is too time-consuming for multiple buildings. Therefore, in collaboration with the Competence Center for Scalable Data Services and Solutions (ScaDS), an approach is developed to filter historical photographs by image similarities. This method reliably enables the search for content-similar views via the selection of one or more query images. By linking this content-based image retrieval with the SfM approach, automatic determination of camera parameters for a large number of historical photographs is possible. The developed method represents a significant improvement over commercial and open-source SfM standard solutions. The result of this work is a complete workflow from archive to application that automatically filters images and calculates the camera parameters. The expected accuracy of a few meters for the camera position is sufficient for the presented applications in this work, but offer further potential for improvement. A connection to archives, which will automatically exchange photographs and positions via interfaces, is currently under development. This makes it possible to retrieve interior and exterior orientation parameters directly from historical photography as metadata which opens up new fields of research.:1 Introduction 1 1.1 Thesis structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Historical image data and archives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Structure-from-Motion for historical images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.2 Selection of images and preprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.3 Feature detection, feature description and feature matching . . . . . . 6 1.3.3.1 Feature detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.3.2 Feature description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.3.3 Feature matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.3.4 Geometric verification and robust estimators . . . . . . . . . 13 1.3.3.5 Joint methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.4 Initial parameterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.5 Bundle adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.6 Dense reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.7 Georeferencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4 Research objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2 Generation of a benchmark dataset using historical photographs for the evaluation of feature matching methods 29 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1.1 Image differences based on digitization and image medium . . . . . . . 30 2.1.2 Image differences based on different cameras and acquisition technique 31 2.1.3 Object differences based on different dates of acquisition . . . . . . . . 31 2.2 Related work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3 The image dataset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4 Comparison of different feature detection and description methods . . . . . . 35 2.4.1 Oriented FAST and Rotated BRIEF (ORB) . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.2 Maximally Stable Extremal Region Detector (MSER) . . . . . . . . . 36 2.4.3 Radiation-invariant Feature Transform (RIFT) . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.4 Feature matching and outlier removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6 Conclusions and future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3 Photogrammetry as a link between image repository and 4D applications 45 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 IX Contents 3.2 Multimodal access on repositories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.1 Conventional access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.2 Virtual access using online collections . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2.3 Virtual museums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3 Workflow and access strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3.2 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.3 Photogrammetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3.4 Browser access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.3.5 VR and AR access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4 An adapted Structure-from-Motion Workflow for the orientation of historical images 69 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.2 Related Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.1 Historical images for 3D reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.2 Algorithmic Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.3 Feature Detection and Matching using Convolutional Neural Networks 74 4.3 Feature Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4 Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.4.1 Step 1: Data preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4.2 Step 2.1: Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4.3 Step 2.2: Vanishing Point Detection and Principal Distance Estimation 80 4.4.4 Step 3: Scene Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.4.5 Comparison with Three Other State-of-the-Art SfM Workflows . . . . 81 4.5 Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.7 Conclusions and Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.8 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.A Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5 Fully automated pose estimation of historical images 97 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.2 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.2.1 Image Retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.2.2 Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.3 Data Preparation: Image Retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3.1 Experiment and Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.3.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.3.2.1 Layer Extraction Approach (LEA) . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.3.2.2 Attentive Deep Local Features (DELF) Approach . . . . . . 105 5.3.3 Results and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.4 Camera Pose Estimation of Historical Images Using Photogrammetric Methods 110 5.4.1 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.4.1.1 Benchmark Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.4.1.2 Retrieval Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.4.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.4.2.1 Feature Detection and Matching . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.4.2.2 Geometric Verification and Camera Pose Estimation . . . . . 116 5.4.3 Results and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.5 Conclusions and Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.A Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6 Related publications 129 6.1 Photogrammetric analysis of historical image repositores for virtual reconstruction in the field of digital humanities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 6.2 Feature matching of historical images based on geometry of quadrilaterals . . 131 6.3 Geo-information technologies for a multimodal access on historical photographs and maps for research and communication in urban history . . . . . . . . . . 132 6.4 An automated pipeline for a browser-based, city-scale mobile 4D VR application based on historical images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.5 Software and content design of a browser-based mobile 4D VR application to explore historical city architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 7 Synthesis 135 7.1 Summary of the developed workflows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.1.1 Error assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 7.1.2 Accuracy estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.1.3 Transfer of the workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 7.2 Developments and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 8 Appendix 149 8.1 Setup for the feature matching evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 8.2 Transformation from COLMAP coordinate system to OpenGL . . . . . . . . 150 References 151 List of Figures 165 List of Tables 167 List of Abbreviations 169Der andauernde Prozess der Digitalisierung in Archiven ermöglicht den Zugriff auf immer größer werdende historische Bildbestände. In vielen Repositorien können die Bilder typischerweise in einer Listen- oder Gallerieansicht betrachtet werden. Aufgrund der steigenden Zahl an digitalisierten Objekten wird diese Art der Visualisierung zunehmend unübersichtlicher. Es kann u.a. nur noch schwierig bestimmt werden, wie viele Fotografien ein bestimmtes Motiv zeigen. Des Weiteren können räumliche Informationen bisher nur über Metadaten vermittelt werden. Im Rahmen der Arbeit wird an der automatisierten Ermittlung und Bereitstellung dieser räumlichen Daten geforscht. Erweiterte Visualisierungsmöglichkeiten machen diese Informationen Wissenschaftlern sowie Bürgern einfacher zugänglich. Diese Visualisierungen können u.a. in drei-dimensionalen (3D), Virtual Reality (VR) oder Augmented Reality (AR) Anwendungen präsentiert werden. Allerdings erfordern Anwendungen dieser Art die Schätzung des Standpunktes des Fotografen. Im photogrammetrischen Kontext spricht man dabei von der Schätzung der inneren und äußeren Orientierungsparameter der Kamera. Zur Bestimmung der Orientierungsparameter für Einzelbilder existieren die etablierten Verfahren der direkten linearen Transformation oder des photogrammetrischen Rückwärtsschnittes. Dazu muss eine Zuordnung von gemessenen Objektpunkten zu ihren homologen Bildpunkten erfolgen. Das ist für einzelne Bilder realisierbar, wird aber aufgrund der großen Menge an Bildern in Archiven schnell nicht mehr praktikabel. Für größere Bildverbände wird im photogrammetrischen Kontext somit üblicherweise das Verfahren Structure-from-Motion (SfM) gewählt, das die simultane Schätzung der inneren sowie der äußeren Orientierung der Kameras ermöglicht. Während diese Methode vor allem für sequenzielle, gegenwärtige Bildverbände gute Ergebnisse liefert, stellt die Anwendung auf unsortierten historischen Fotografien eine große Herausforderung dar. Im Rahmen der Arbeit, die sich größtenteils auf Szenarien stadträumlicher terrestrischer Fotografien beschränkt, werden zuerst die Gründe für das Scheitern des SfM Prozesses identifiziert. Im Gegensatz zu sequenziellen Bildverbänden zeigen Bildpaare aus unterschiedlichen zeitlichen Epochen oder von unterschiedlichen Standpunkten enorme Differenzen hinsichtlich der Szenendarstellung. Dies können u.a. Unterschiede in der Beleuchtungssituation, des Aufnahmezeitpunktes oder Schäden am originalen analogen Medium sein. Da für die Merkmalszuordnung in SfM automatisiert homologe Bildpunkte in Bildpaaren bzw. Bildsequenzen gefunden werden müssen, stellen diese Bilddifferenzen die größte Schwierigkeit dar. Um verschiedene Verfahren der Merkmalszuordnung testen zu können, ist es notwendig einen vororientierten historischen Datensatz zu verwenden. Da solch ein Benchmark-Datensatz noch nicht existierte, werden im Rahmen der Arbeit durch manuelle Selektion homologer Bildpunkte acht historische Bildtripel (entspricht 24 Bildpaaren) orientiert, die anschließend genutzt werden, um neu publizierte Verfahren bei der Merkmalszuordnung zu evaluieren. Die ersten verwendeten Methoden, die algorithmische Verfahren zur Merkmalszuordnung nutzen (z.B. Scale Invariant Feature Transform (SIFT)), liefern nur für wenige Bildpaare des Datensatzes zufriedenstellende Ergebnisse. Erst durch die Verwendung von Verfahren, die neuronale Netze zur Merkmalsdetektion und Merkmalsbeschreibung einsetzen, können für einen großen Teil der historischen Bilder des Benchmark-Datensatzes zuverlässig homologe Bildpunkte gefunden werden. Die Bestimmung der Kameraorientierung erfordert zusätzlich zur Merkmalszuordnung eine initiale Schätzung der Kamerakonstante, die jedoch im Zuge der Digitalisierung des analogen Bildes nicht mehr direkt zu ermitteln ist. Eine mögliche Lösung dieses Problems ist die Verwendung von drei Fluchtpunkten, die automatisiert im historischen Bild detektiert werden und aus denen dann die Kamerakonstante bestimmt werden kann. Die Kombination aus Schätzung der Kamerakonstante und robuster Merkmalszuordnung wird in den SfM Prozess integriert und erlaubt die Bestimmung der Kameraorientierung historischer Bilder. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird ein Arbeitsablauf konzipiert, der es ermöglicht, Archive mittels dieses photogrammetrischen Verfahrens direkt an 3D-Anwendungen anzubinden. Eine Suchanfrage in Archiven erfolgt üblicherweise über Schlagworte, die dann als Metadaten dem entsprechenden Objekt zugeordnet sein müssen. Eine Suche nach einem bestimmten Gebäude generiert deshalb u.a. Treffer zu Zeichnungen, Gemälden, Veranstaltungen, Innen- oder Detailansichten. Für die erfolgreiche Anwendung von SfM im stadträumlichen Kontext interessiert jedoch v.a. die fotografische Außenansicht des Gebäudes. Während die Bilder für ein einzelnes Gebäude von Hand sortiert werden können, ist dieser Prozess für mehrere Gebäude zu zeitaufwendig. Daher wird in Zusammenarbeit mit dem Competence Center for Scalable Data Services and Solutions (ScaDS) ein Ansatz entwickelt, um historische Fotografien über Bildähnlichkeiten zu filtern. Dieser ermöglicht zuverlässig über die Auswahl eines oder mehrerer Suchbilder die Suche nach inhaltsähnlichen Ansichten. Durch die Verknüpfung der inhaltsbasierten Suche mit dem SfM Ansatz ist es möglich, automatisiert für eine große Anzahl historischer Fotografien die Kameraparameter zu bestimmen. Das entwickelte Verfahren stellt eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu kommerziellen und open-source SfM Standardlösungen dar. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein kompletter Arbeitsablauf vom Archiv bis zur Applikation, der automatisch Bilder filtert und diese orientiert. Die zu erwartende Genauigkeit von wenigen Metern für die Kameraposition sind ausreichend für die dargestellten Anwendungen in dieser Arbeit, bieten aber weiteres Verbesserungspotential. Eine Anbindung an Archive, die über Schnittstellen automatisch Fotografien und Positionen austauschen soll, befindet sich bereits in der Entwicklung. Dadurch ist es möglich, innere und äußere Orientierungsparameter direkt von der historischen Fotografie als Metadaten abzurufen, was neue Forschungsfelder eröffnet.:1 Introduction 1 1.1 Thesis structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Historical image data and archives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Structure-from-Motion for historical images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.2 Selection of images and preprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.3 Feature detection, feature description and feature matching . . . . . . 6 1.3.3.1 Feature detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.3.2 Feature description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.3.3 Feature matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.3.4 Geometric verification and robust estimators . . . . . . . . . 13 1.3.3.5 Joint methods . . . . . . . . . . . . . . . .

Vision-based methods for state estimation and control of robotic systems with application to mobile and surgical robots

For autonomous systems that need to perceive the surrounding environment for the accomplishment of a given task, vision is a highly informative exteroceptive sensory source. When gathering information from the available sensors, in fact, the richness of visual data allows to provide a complete description of the environment, collecting geometrical and semantic information (e.g., object pose, distances, shapes, colors, lights). The huge amount of collected data allows to consider both methods exploiting the totality of the data (dense approaches), or a reduced set obtained from feature extraction procedures (sparse approaches). This manuscript presents dense and sparse vision-based methods for control and sensing of robotic systems. First, a safe navigation scheme for mobile robots, moving in unknown environments populated by obstacles, is presented. For this task, dense visual information is used to perceive the environment (i.e., detect ground plane and obstacles) and, in combination with other sensory sources, provide an estimation of the robot motion with a linear observer. On the other hand, sparse visual data are extrapolated in terms of geometric primitives, in order to implement a visual servoing control scheme satisfying proper navigation behaviours. This controller relies on visual estimated information and is designed in order to guarantee safety during navigation. In addition, redundant structures are taken into account to re-arrange the internal configuration of the robot and reduce its encumbrance when the workspace is highly cluttered. Vision-based estimation methods are relevant also in other contexts. In the field of surgical robotics, having reliable data about unmeasurable quantities is of great importance and critical at the same time. In this manuscript, we present a Kalman-based observer to estimate the 3D pose of a suturing needle held by a surgical manipulator for robot-assisted suturing. The method exploits images acquired by the endoscope of the robot platform to extrapolate relevant geometrical information and get projected measurements of the tool pose. This method has also been validated with a novel simulator designed for the da Vinci robotic platform, with the purpose to ease interfacing and employment in ideal conditions for testing and validation. The Kalman-based observers mentioned above are classical passive estimators, whose system inputs used to produce the proper estimation are theoretically arbitrary. This does not provide any possibility to actively adapt input trajectories in order to optimize specific requirements on the performance of the estimation. For this purpose, active estimation paradigm is introduced and some related strategies are presented. More specifically, a novel active sensing algorithm employing visual dense information is described for a typical Structure-from-Motion (SfM) problem. The algorithm generates an optimal estimation of a scene observed by a moving camera, while minimizing the maximum uncertainty of the estimation. This approach can be applied to any robotic platforms and has been validated with a manipulator arm equipped with a monocular camera

Camera calibration from surfaces of revolution

This paper addresses the problem of calibrating a pinhole camera from images of a surface of revolution. Camera calibration is the process of determining the intrinsic or internal parameters (i.e., aspect ratio, focal length, and principal point) of a camera, and it is important for both motion estimation and metric reconstruction of 3D models. In this paper, a novel and simple calibration technique is introduced, which is based on exploiting the symmetry of images of surfaces of revolution. Traditional techniques for camera calibration involve taking images of some precisely machined calibration pattern (such as a calibration grid). The use of surfaces of revolution, which are commonly found in daily life (e.g., bowls and vases), makes the process easier as a result of the reduced cost and increased accessibility of the calibration objects. In this paper, it is shown that two images of a surface of revolution will provide enough information for determining the aspect ratio, focal length, and principal point of a camera with fixed intrinsic parameters. The algorithms presented in this paper have been implemented and tested with both synthetic and real data. Experimental results show that the camera calibration method presented here is both practical and accurate.published_or_final_versio

Large-Scale Textured 3D Scene Reconstruction

Die Erstellung dreidimensionaler Umgebungsmodelle ist eine fundamentale Aufgabe im Bereich des maschinellen Sehens. Rekonstruktionen sind für eine Reihe von Anwendungen von Nutzen, wie bei der Vermessung, dem Erhalt von Kulturgütern oder der Erstellung virtueller Welten in der Unterhaltungsindustrie. Im Bereich des automatischen Fahrens helfen sie bei der Bewältigung einer Vielzahl an Herausforderungen. Dazu gehören Lokalisierung, das Annotieren großer Datensätze oder die vollautomatische Erstellung von Simulationsszenarien. Die Herausforderung bei der 3D Rekonstruktion ist die gemeinsame Schätzung von Sensorposen und einem Umgebunsmodell. Redundante und potenziell fehlerbehaftete Messungen verschiedener Sensoren müssen in eine gemeinsame Repräsentation der Welt integriert werden, um ein metrisch und photometrisch korrektes Modell zu erhalten. Gleichzeitig muss die Methode effizient Ressourcen nutzen, um Laufzeiten zu erreichen, welche die praktische Nutzung ermöglichen. In dieser Arbeit stellen wir ein Verfahren zur Rekonstruktion vor, das fähig ist, photorealistische 3D Rekonstruktionen großer Areale zu erstellen, die sich über mehrere Kilometer erstrecken. Entfernungsmessungen aus Laserscannern und Stereokamerasystemen werden zusammen mit Hilfe eines volumetrischen Rekonstruktionsverfahrens fusioniert. Ringschlüsse werden erkannt und als zusätzliche Bedingungen eingebracht, um eine global konsistente Karte zu erhalten. Das resultierende Gitternetz wird aus Kamerabildern texturiert, wobei die einzelnen Beobachtungen mit ihrer Güte gewichtet werden. Für eine nahtlose Erscheinung werden die unbekannten Belichtungszeiten und Parameter des optischen Systems mitgeschätzt und die Bilder entsprechend korrigiert. Wir evaluieren unsere Methode auf synthetischen Daten, realen Sensordaten unseres Versuchsfahrzeugs und öffentlich verfügbaren Datensätzen. Wir zeigen qualitative Ergebnisse großer innerstädtischer Bereiche, sowie quantitative Auswertungen der Fahrzeugtrajektorie und der Rekonstruktionsqualität. Zuletzt präsentieren wir mehrere Anwendungen und zeigen somit den Nutzen unserer Methode für Anwendungen im Bereich des automatischen Fahrens