ACCURATE AND FAST STEREO VISION

Stereo vision from short-baseline image pairs is one of the most active research fields in computer vision. The estimation of dense disparity maps from stereo image pairs is still a challenging task and there is further space for improving accuracy, minimizing the computational cost and handling more efficiently outliers, low-textured areas, repeated textures, disparity discontinuities and light variations. This PhD thesis presents two novel methodologies relating to stereo vision from short-baseline image pairs: I. The first methodology combines three different cost metrics, defined using colour, the CENSUS transform and SIFT (Scale Invariant Feature Transform) coefficients. The selected cost metrics are aggregated based on an adaptive weights approach, in order to calculate their corresponding cost volumes. The resulting cost volumes are merged into a combined one, following a novel two-phase strategy, which is further refined by exploiting semi-global optimization. A mean-shift segmentation-driven approach is exploited to deal with outliers in the disparity maps. Additionally, low-textured areas are handled using disparity histogram analysis, which allows for reliable disparity plane fitting on these areas. II. The second methodology relies on content-based guided image filtering and weighted semi-global optimization. Initially, the approach uses a pixel-based cost term that combines gradient, Gabor-Feature and colour information. The pixel-based matching costs are filtered by applying guided image filtering, which relies on support windows of two different sizes. In this way, two filtered costs are estimated for each pixel. Among the two filtered costs, the one that will be finally assigned to each pixel, depends on the local image content around this pixel. The filtered cost volume is further refined by exploiting weighted semi-global optimization, which improves the disparity accuracy. The handling of the occluded areas is enhanced by incorporating a straightforward and time efficient scheme. The evaluation results show that both methodologies are very accurate, since they handle efficiently low-textured/occluded areas and disparity discontinuities. Additionally, the second approach has very low computational complexity. Except for the aforementioned two methodologies that use as input short-baseline image pairs, this PhD thesis presents a novel methodology for generating 3D point clouds of good accuracy from wide-baseline stereo pairs

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

Video Registration for Multimodal Surveillance Systems

RÉSUMÉ Au cours de la dernière décennie, la conception et le déploiement de systèmes de surveillance par caméras thermiques et visibles pour l'analyse des activités humaines a retenu l'attention de la communauté de la vision par ordinateur. Les applications de l'imagerie thermique-visible pour l'analyse des activités humaines couvrent différents domaines, notamment la médecine, la sécurité à bord d'un véhicule et la sécurité des personnes. La motivation derrière un tel système est l'amélioration de la qualité des données dans le but ultime d'améliorer la performance du système de surveillance. Une difficulté fondamentale associée à un système d'imagerie thermique-visible est la mise en registre précise de caractéristiques et d'informations correspondantes à partir d'images avec des différences significatives dans les propriétés des signaux. Dans un cas, on capte des informations de couleur (lumière réfléchie) et dans l'autre cas, on capte la signature thermique (énergie émise). Ce problème est appelé mise en registre d'images et de séquences vidéo. La vidéosurveillance est l'un des domaines d'application le plus étendu de l'imagerie multi-spectrale. La vidéosurveillance automatique dans un environnement réel, que ce soit à l'intérieur ou à l'extérieur, est difficile en raison d'un nombre élevé de facteurs environnementaux tels que les variations d'éclairage, le vent, le brouillard, et les ombres. L'utilisation conjointe de différentes modalités permet d'augmenter la fiabilité des données d'entrée, et de révéler certaines informations sur la scène qui ne sont pas perceptibles par un système d'imagerie unimodal. Les premiers systèmes multimodaux de vidéosurveillance ont été conçus principalement pour des applications militaires. Mais de nos jours, en raison de la réduction du prix des caméras thermiques, ce sujet de recherche s'étend à des applications civiles ayant une variété d'objectifs. Les approches pour la mise en registre d'images pour un système multimodal de vidéosurveillance automatique sont divisées en deux catégories fondées sur la dimension de la scène: les approches qui sont appropriées pour des grandes scènes où les objets sont lointains, et les approches qui conviennent à de petites scènes où les objets sont près des caméras. Dans la littérature, ce sujet de recherche n'est pas bien documenté, en particulier pour le cas de petites scènes avec objets proches. Notre recherche est axée sur la conception de nouvelles solutions de mise en registre pour les deux catégories de scènes dans lesquels il y a plusieurs humains. Les solutions proposées sont incluses dans les quatre articles qui composent cette thèse. Nos méthodes de mise en registre sont des prétraitements pour d'autres tâches d'analyse vidéo telles que le suivi, la localisation de l'humain, l'analyse de comportements, et la catégorisation d'objets. Pour les scènes avec des objets lointains, nous proposons un système itératif qui fait de façon simultanée la mise en registre thermique-visible, la fusion des données et le suivi des personnes. Notre méthode de mise en registre est basée sur une mise en correspondance de trajectoires (en utilisant RANSAC) à partir desquelles on estime une matrice de transformation affine pour transformer globalement des objets d'avant-plan d'une image sur l'autre image. Notre système proposé de vidéosurveillance multimodale est basé sur un nouveau mécanisme de rétroaction entre la mise en registre et le module de suivi, ce qui augmente les performances des deux modules de manière itérative au fil du temps. Nos méthodes sont conçues pour des applications en ligne et aucune calibration des caméras ou de configurations particulières ne sont requises. Pour les petites scènes avec des objets proches, nous introduisons le descripteur Local Self-Similarity (LSS), comme une mesure de similarité viable pour mettre en correspondance les régions du corps humain dans des images thermiques et visibles. Nous avons également démontré théoriquement et quantitativement que LSS, comme mesure de similarité thermique-visible, est plus robuste aux différences entre les textures des régions correspondantes que l'information mutuelle (IM), qui est la mesure de similarité classique pour les applications multimodales. D'autres descripteurs viables, y compris Histogram Of Gradient (HOG), Scale Invariant Feature Transform (SIFT), et Binary Robust Independent Elementary Feature (BRIEF) sont également surclassés par LSS. En outre, nous proposons une approche de mise en registre utilisant LSS et un mécanisme de votes pour obtenir une carte de disparité stéréo dense pour chaque région d'avant-plan dans l'image. La carte de disparité qui en résulte peut alors être utilisée pour aligner l'image de référence sur la seconde image. Nous démontrons que notre méthode surpasse les méthodes dans l'état de l'art, notamment les méthodes basées sur l'information mutuelle. Nos expériences ont été réalisées en utilisant des scénarios réalistes de surveillance d'humains dans une scène de petite taille. En raison des lacunes des approches locales de correspondance stéréo pour l'estimation de disparités précises dans des régions de discontinuité de profondeur, nous proposons une méthode de correspondance stéréo basée sur une approche d'optimisation globale. Nous introduisons un modèle stéréo approprié pour la mise en registre d'images thermique-visible en utilisant une méthode de minimisation de l'énergie en conjonction avec la méthode Belief Propagation (BP) comme méthode pour optimiser l'affectation des disparités par une fonction d'énergie. Dans cette méthode, nous avons intégré les informations de couleur et de mouvement comme contraintes douces pour améliorer la précision d'affectation des disparités dans les cas de discontinuités de profondeur. Bien que les approches de correspondance globale soient plus gourmandes au niveau des ressources de calculs par rapport aux approches de correspondance locale basée sur la stratégie Winner Take All (WTA), l'algorithme efficace BP et la programmation parallèle (OpenMP) en C++ que nous avons utilisés dans notre implémentation, permettent d'accélérer le temps de traitement de manière significative et de rendre nos méthodes viables pour les applications de vidéosurveillance. Nos méthodes sont programmées en C++ et utilisent la bibliothèque OpenCV. Nos méthodes sont conçues pour être facilement intégrées comme prétraitement pour toute application d'analyse vidéo. En d'autres termes, les données d'entrée de nos méthodes pourraient être un flux vidéo en ligne, et pour une analyse plus approfondie, un nouveau module pourrait être ajouté en aval à notre schéma algorithmique. Cette analyse plus approfondie pourrait être le suivi d'objets, la localisation d'êtres humains, et l'analyse de trajectoires pour les applications de surveillance multimodales de grandes scène. Aussi, Il pourrait être l'analyse de comportements, la catégorisation d'objets, et le suivi pour les applications sur des scènes de tailles réduites.---------ABSTRACT Recently, the design and deployment of thermal-visible surveillance systems for human analysis attracted a lot of attention in the computer vision community. Thermal-visible imagery applications for human analysis span different domains including medical, in-vehicle safety system, and surveillance. The motivation of applying such a system is improving the quality of data with the ultimate goal of improving the performance of targeted surveillance system. A fundamental issue associated with a thermal-visible imaging system is the accurate registration of corresponding features and information from images with high differences in imaging characteristics, where one reflects the color information (reflected energy) and another one reflects thermal signature (emitted energy). This problem is named Image/video registration. Video surveillance is one of the most extensive application domains of multispectral imaging. Automatic video surveillance in a realistic environment, either indoor or outdoor, is difficult due to the unlimited number of environmental factors such as illumination variations, wind, fog, and shadows. In a multimodal surveillance system, the joint use of different modalities increases the reliability of input data and reveals some information of the scene that might be missed using a unimodal imaging system. The early multimodal video surveillance systems were designed mainly for military applications. But nowadays, because of the reduction in the price of thermal cameras, this subject of research is extending to civilian applications and has attracted more interests for a variety of the human monitoring objectives. Image registration approaches for an automatic multimodal video surveillance system are divided into two general approaches based on the range of captured scene: the approaches that are appropriate for long-range scenes, and the approaches that are suitable for close-range scenes. In the literature, this subject of research is not well documented, especially for close-range surveillance application domains. Our research is focused on novel image registration solutions for both close-range and long-range scenes featuring multiple humans. The proposed solutions are presented in the four articles included in this thesis. Our registration methods are applicable for further video analysis such as tracking, human localization, behavioral pattern analysis, and object categorization. For far-range video surveillance, we propose an iterative system that consists of simultaneous thermal-visible video registration, sensor fusion, and people tracking. Our video registration is based on a RANSAC object trajectory matching, which estimates an affine transformation matrix to globally transform foreground objects of one image on another one. Our proposed multimodal surveillance system is based on a novel feedback scheme between registration and tracking modules that augments the performance of both modules iteratively over time. Our methods are designed for online applications and no camera calibration or special setup is required. For close-range video surveillance applications, we introduce Local Self-Similarity (LSS) as a viable similarity measure for matching corresponding human body regions of thermal and visible images. We also demonstrate theoretically and quantitatively that LSS, as a thermal-visible similarity measure, is more robust to differences between corresponding regions' textures than the Mutual Information (MI), which is the classic multimodal similarity measure. Other viable local image descriptors including Histogram Of Gradient (HOG), Scale Invariant Feature Transform (SIFT), and Binary Robust Independent Elementary Feature (BRIEF) are also outperformed by LSS. Moreover, we propose a LSS-based dense local stereo correspondence algorithm based on a voting approach, which estimates a dense disparity map for each foreground region in the image. The resulting disparity map can then be used to align the reference image on the second image. We demonstrate that our proposed LSS-based local registration method outperforms similar state-of-the-art MI-based local registration methods in the literature. Our experiments were carried out using realistic human monitoring scenarios in a close-range scene. Due to the shortcomings of local stereo correspondence approaches for estimating accurate disparities in depth discontinuity regions, we propose a novel stereo correspondence method based on a global optimization approach. We introduce a stereo model appropriate for thermal-visible image registration using an energy minimization framework and Belief Propagation (BP) as a method to optimize the disparity assignment via an energy function. In this method, we integrated color and motion visual cues as a soft constraint into an energy function to improve disparity assignment accuracy in depth discontinuities. Although global correspondence approaches are computationally more expensive compared to Winner Take All (WTA) local correspondence approaches, the efficient BP algorithm and parallel processing programming (openMP) in C++ that we used in our implementation, speed up the processing time significantly and make our methods viable for video surveillance applications. Our methods are implemented in C++ using OpenCV library and object-oriented programming. Our methods are designed to be integrated easily for further video analysis. In other words, the input data of our methods could come from two synchronized online video streams. For further analysis a new module could be added in our frame-by-frame algorithmic diagram. Further analysis might be object tracking, human localization, and trajectory pattern analysis for multimodal long-range monitoring applications, and behavior pattern analysis, object categorization, and tracking for close-range applications

Semantic Visual Localization

Robust visual localization under a wide range of viewing conditions is a fundamental problem in computer vision. Handling the difficult cases of this problem is not only very challenging but also of high practical relevance, e.g., in the context of life-long localization for augmented reality or autonomous robots. In this paper, we propose a novel approach based on a joint 3D geometric and semantic understanding of the world, enabling it to succeed under conditions where previous approaches failed. Our method leverages a novel generative model for descriptor learning, trained on semantic scene completion as an auxiliary task. The resulting 3D descriptors are robust to missing observations by encoding high-level 3D geometric and semantic information. Experiments on several challenging large-scale localization datasets demonstrate reliable localization under extreme viewpoint, illumination, and geometry changes

Single View Modeling and View Synthesis

This thesis develops new algorithms to produce 3D content from a single camera. Today, amateurs can use hand-held camcorders to capture and display the 3D world in 2D, using mature technologies. However, there is always a strong desire to record and re-explore the 3D world in 3D. To achieve this goal, current approaches usually make use of a camera array, which suffers from tedious setup and calibration processes, as well as lack of portability, limiting its application to lab experiments. In this thesis, I try to produce the 3D contents using a single camera, making it as simple as shooting pictures. It requires a new front end capturing device rather than a regular camcorder, as well as more sophisticated algorithms. First, in order to capture the highly detailed object surfaces, I designed and developed a depth camera based on a novel technique called light fall-off stereo (LFS). The LFS depth camera outputs color+depth image sequences and achieves 30 fps, which is necessary for capturing dynamic scenes. Based on the output color+depth images, I developed a new approach that builds 3D models of dynamic and deformable objects. While the camera can only capture part of a whole object at any instance, partial surfaces are assembled together to form a complete 3D model by a novel warping algorithm. Inspired by the success of single view 3D modeling, I extended my exploration into 2D-3D video conversion that does not utilize a depth camera. I developed a semi-automatic system that converts monocular videos into stereoscopic videos, via view synthesis. It combines motion analysis with user interaction, aiming to transfer as much depth inferring work from the user to the computer. I developed two new methods that analyze the optical flow in order to provide additional qualitative depth constraints. The automatically extracted depth information is presented in the user interface to assist with user labeling work. In this thesis, I developed new algorithms to produce 3D contents from a single camera. Depending on the input data, my algorithm can build high fidelity 3D models for dynamic and deformable objects if depth maps are provided. Otherwise, it can turn the video clips into stereoscopic video

Stereo vision for obstacle detection in autonomous vehicle navigation

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

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