Probabilistic Surfel Fusion for Dense LiDAR Mapping

With the recent development of high-end LiDARs, more and more systems are able to continuously map the environment while moving and producing spatially redundant information. However, none of the previous approaches were able to effectively exploit this redundancy in a dense LiDAR mapping problem. In this paper, we present a new approach for dense LiDAR mapping using probabilistic surfel fusion. The proposed system is capable of reconstructing a high-quality dense surface element (surfel) map from spatially redundant multiple views. This is achieved by a proposed probabilistic surfel fusion along with a geometry considered data association. The proposed surfel data association method considers surface resolution as well as high measurement uncertainty along its beam direction which enables the mapping system to be able to control surface resolution without introducing spatial digitization. The proposed fusion method successfully suppresses the map noise level by considering measurement noise caused by laser beam incident angle and depth distance in a Bayesian filtering framework. Experimental results with simulated and real data for the dense surfel mapping prove the ability of the proposed method to accurately find the canonical form of the environment without further post-processing.Comment: Accepted in Multiview Relationships in 3D Data 2017 (IEEE International Conference on Computer Vision Workshops

SurfelMeshing: Online Surfel-Based Mesh Reconstruction

We address the problem of mesh reconstruction from live RGB-D video, assuming a calibrated camera and poses provided externally (e.g., by a SLAM system). In contrast to most existing approaches, we do not fuse depth measurements in a volume but in a dense surfel cloud. We asynchronously (re)triangulate the smoothed surfels to reconstruct a surface mesh. This novel approach enables to maintain a dense surface representation of the scene during SLAM which can quickly adapt to loop closures. This is possible by deforming the surfel cloud and asynchronously remeshing the surface where necessary. The surfel-based representation also naturally supports strongly varying scan resolution. In particular, it reconstructs colors at the input camera's resolution. Moreover, in contrast to many volumetric approaches, ours can reconstruct thin objects since objects do not need to enclose a volume. We demonstrate our approach in a number of experiments, showing that it produces reconstructions that are competitive with the state-of-the-art, and we discuss its advantages and limitations. The algorithm (excluding loop closure functionality) is available as open source at https://github.com/puzzlepaint/surfelmeshing .Comment: Version accepted to IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligenc

Robust Photogeometric Localization over Time for Map-Centric Loop Closure

Map-centric SLAM is emerging as an alternative of conventional graph-based SLAM for its accuracy and efficiency in long-term mapping problems. However, in map-centric SLAM, the process of loop closure differs from that of conventional SLAM and the result of incorrect loop closure is more destructive and is not reversible. In this paper, we present a tightly coupled photogeometric metric localization for the loop closure problem in map-centric SLAM. In particular, our method combines complementary constraints from LiDAR and camera sensors, and validates loop closure candidates with sequential observations. The proposed method provides a visual evidence-based outlier rejection where failures caused by either place recognition or localization outliers can be effectively removed. We demonstrate the proposed method is not only more accurate than the conventional global ICP methods but is also robust to incorrect initial pose guesses.Comment: To Appear in IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS, ACCEPTED JANUARY 201

Efficient Continuous-Time SLAM for 3D Lidar-Based Online Mapping

Modern 3D laser-range scanners have a high data rate, making online simultaneous localization and mapping (SLAM) computationally challenging. Recursive state estimation techniques are efficient but commit to a state estimate immediately after a new scan is made, which may lead to misalignments of measurements. We present a 3D SLAM approach that allows for refining alignments during online mapping. Our method is based on efficient local mapping and a hierarchical optimization back-end. Measurements of a 3D laser scanner are aggregated in local multiresolution maps by means of surfel-based registration. The local maps are used in a multi-level graph for allocentric mapping and localization. In order to incorporate corrections when refining the alignment, the individual 3D scans in the local map are modeled as a sub-graph and graph optimization is performed to account for drift and misalignments in the local maps. Furthermore, in each sub-graph, a continuous-time representation of the sensor trajectory allows to correct measurements between scan poses. We evaluate our approach in multiple experiments by showing qualitative results. Furthermore, we quantify the map quality by an entropy-based measure.Comment: In: Proceedings of the International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 201

C-blox: A Scalable and Consistent TSDF-based Dense Mapping Approach

In many applications, maintaining a consistent dense map of the environment is key to enabling robotic platforms to perform higher level decision making. Several works have addressed the challenge of creating precise dense 3D maps from visual sensors providing depth information. However, during operation over longer missions, reconstructions can easily become inconsistent due to accumulated camera tracking error and delayed loop closure. Without explicitly addressing the problem of map consistency, recovery from such distortions tends to be difficult. We present a novel system for dense 3D mapping which addresses the challenge of building consistent maps while dealing with scalability. Central to our approach is the representation of the environment as a collection of overlapping TSDF subvolumes. These subvolumes are localized through feature-based camera tracking and bundle adjustment. Our main contribution is a pipeline for identifying stable regions in the map, and to fuse the contributing subvolumes. This approach allows us to reduce map growth while still maintaining consistency. We demonstrate the proposed system on a publicly available dataset and simulation engine, and demonstrate the efficacy of the proposed approach for building consistent and scalable maps. Finally we demonstrate our approach running in real-time on-board a lightweight MAV.Comment: 8 pages, 5 figures, conferenc

Efficient Dense Registration, Segmentation, and Modeling Methods for RGB-D Environment Perception

One perspective for artificial intelligence research is to build machines that perform tasks autonomously in our complex everyday environments. This setting poses challenges to the development of perception skills: A robot should be able to perceive its location and objects in its surrounding, while the objects and the robot itself could also be moving. Objects may not only be composed of rigid parts, but could be non-rigidly deformable or appear in a variety of similar shapes. Furthermore, it could be relevant to the task to observe object semantics. For a robot acting fluently and immediately, these perception challenges demand efficient methods. This theses presents novel approaches to robot perception with RGB-D sensors. It develops efficient registration, segmentation, and modeling methods for scene and object perception. We propose multi-resolution surfel maps as a concise representation for RGB-D measurements. We develop probabilistic registration methods that handle rigid scenes, scenes with multiple rigid parts that move differently, and scenes that undergo non-rigid deformations. We use these methods to learn and perceive 3D models of scenes and objects in both static and dynamic environments. For learning models of static scenes, we propose a real-time capable simultaneous localization and mapping approach. It aligns key views in RGB-D video using our rigid registration method and optimizes the pose graph of the key views. The acquired models are then perceived in live images through detection and tracking within a Bayesian filtering framework. An assumption frequently made for environment mapping is that the observed scene remains static during the mapping process. Through rigid multi-body registration, we take advantage of releasing this assumption: Our registration method segments views into parts that move independently between the views and simultaneously estimates their motion. Within simultaneous motion segmentation, localization, and mapping, we separate scenes into objects by their motion. Our approach acquires 3D models of objects and concurrently infers hierarchical part relations between them using probabilistic reasoning. It can be applied for interactive learning of objects and their part decomposition. Endowing robots with manipulation skills for a large variety of objects is a tedious endeavor if the skill is programmed for every instance of an object class. Furthermore, slight deformations of an instance could not be handled by an inflexible program. Deformable registration is useful to perceive such shape variations, e.g., between specific instances of a tool. We develop an efficient deformable registration method and apply it for the transfer of robot manipulation skills between varying object instances. On the object-class level, we segment images using random decision forest classifiers in real-time. The probabilistic labelings of individual images are fused in 3D semantic maps within a Bayesian framework. We combine our object-class segmentation method with simultaneous localization and mapping to achieve online semantic mapping in real-time. The methods developed in this thesis are evaluated in experiments on publicly available benchmark datasets and novel own datasets. We publicly demonstrate several of our perception approaches within integrated robot systems in the mobile manipulation context.Effiziente Dichte Registrierungs-, Segmentierungs- und Modellierungsmethoden für die RGB-D Umgebungswahrnehmung In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Herausforderungen der visuellen Wahrnehmung für intelligente Roboter in Alltagsumgebungen. Solche Roboter sollen sich selbst in ihrer Umgebung zurechtfinden, und Wissen über den Verbleib von Objekten erwerben können. Die Schwierigkeit dieser Aufgaben erhöht sich in dynamischen Umgebungen, in denen ein Roboter die Bewegung einzelner Teile differenzieren und auch wahrnehmen muss, wie sich diese Teile bewegen. Bewegt sich ein Roboter selbständig in dieser Umgebung, muss er auch seine eigene Bewegung von der Veränderung der Umgebung unterscheiden. Szenen können sich aber nicht nur durch die Bewegung starrer Teile verändern. Auch die Teile selbst können ihre Form in nicht-rigider Weise ändern. Eine weitere Herausforderung stellt die semantische Interpretation von Szenengeometrie und -aussehen dar. Damit intelligente Roboter unmittelbar und flüssig handeln können, sind effiziente Algorithmen für diese Wahrnehmungsprobleme erforderlich. Im ersten Teil dieser Arbeit entwickeln wir effiziente Methoden zur Repräsentation und Registrierung von RGB-D Messungen. Zunächst stellen wir Multi-Resolutions-Oberflächenelement-Karten (engl. multi-resolution surfel maps, MRSMaps) als eine kompakte Repräsentation von RGB-D Messungen vor, die unseren effizienten Registrierungsmethoden zugrunde liegt. Bilder können effizient in dieser Repräsentation aggregiert werde, wobei auch mehrere Bilder aus verschiedenen Blickpunkten integriert werden können, um Modelle von Szenen und Objekte aus vielfältigen Ansichten darzustellen. Für die effiziente, robuste und genaue Registrierung von MRSMaps wird eine Methode vorgestellt, die Rigidheit der betrachteten Szene voraussetzt. Die Registrierung schätzt die Kamerabewegung zwischen den Bildern und gewinnt ihre Effizienz durch die Ausnutzung der kompakten multi-resolutionalen Darstellung der Karten. Die Registrierungsmethode erzielt hohe Bildverarbeitungsraten auf einer CPU. Wir demonstrieren hohe Effizienz, Genauigkeit und Robustheit unserer Methode im Vergleich zum bisherigen Stand der Forschung auf Vergleichsdatensätzen. In einem weiteren Registrierungsansatz lösen wir uns von der Annahme, dass die betrachtete Szene zwischen Bildern statisch ist. Wir erlauben nun, dass sich rigide Teile der Szene bewegen dürfen, und erweitern unser rigides Registrierungsverfahren auf diesen Fall. Unser Ansatz segmentiert das Bild in Bereiche einzelner Teile, die sich unterschiedlich zwischen Bildern bewegen. Wir demonstrieren hohe Segmentierungsgenauigkeit und Genauigkeit in der Bewegungsschätzung unter Echtzeitbedingungen für die Verarbeitung. Schließlich entwickeln wir ein Verfahren für die Wahrnehmung von nicht-rigiden Deformationen zwischen zwei MRSMaps. Auch hier nutzen wir die multi-resolutionale Struktur in den Karten für ein effizientes Registrieren von grob zu fein. Wir schlagen Methoden vor, um aus den geschätzten Deformationen die lokale Bewegung zwischen den Bildern zu berechnen. Wir evaluieren Genauigkeit und Effizienz des Registrierungsverfahrens. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Verwendung unserer Kartenrepräsentation und Registrierungsmethoden für die Wahrnehmung von Szenen und Objekten. Wir verwenden MRSMaps und unsere rigide Registrierungsmethode, um dichte 3D Modelle von Szenen und Objekten zu lernen. Die räumlichen Beziehungen zwischen Schlüsselansichten, die wir durch Registrierung schätzen, werden in einem Simultanen Lokalisierungs- und Kartierungsverfahren (engl. simultaneous localization and mapping, SLAM) gegeneinander abgewogen, um die Blickposen der Schlüsselansichten zu schätzen. Für das Verfolgen der Kamerapose bezüglich der Modelle in Echtzeit, kombinieren wir die Genauigkeit unserer Registrierung mit der Robustheit von Partikelfiltern. Zu Beginn der Posenverfolgung, oder wenn das Objekt aufgrund von Verdeckungen oder extremen Bewegungen nicht weiter verfolgt werden konnte, initialisieren wir das Filter durch Objektdetektion. Anschließend wenden wir unsere erweiterten Registrierungsverfahren für die Wahrnehmung in nicht-rigiden Szenen und für die Übertragung von Objekthandhabungsfähigkeiten von Robotern an. Wir erweitern unseren rigiden Kartierungsansatz auf dynamische Szenen, in denen sich rigide Teile bewegen. Die Bewegungssegmente in Schlüsselansichten werden zueinander in Bezug gesetzt, um Äquivalenz- und Teilebeziehungen von Objekten probabilistisch zu inferieren, denen die Segmente entsprechen. Auch hier liefert unsere Registrierungsmethode die Bewegung der Kamera bezüglich der Objekte, die wir in einem SLAM Verfahren optimieren. Aus diesen Blickposen wiederum können wir die Bewegungssegmente in dichten Objektmodellen vereinen. Objekte einer Klasse teilen oft eine gemeinsame Topologie von funktionalen Elementen, die durch Formkorrespondenzen ermittelt werden kann. Wir verwenden unsere deformierbare Registrierung, um solche Korrespondenzen zu finden und die Handhabung eines Objektes durch einen Roboter auf neue Objektinstanzen derselben Klasse zu übertragen. Schließlich entwickeln wir einen echtzeitfähigen Ansatz, der Kategorien von Objekten in RGB-D Bildern erkennt und segmentiert. Die Segmentierung basiert auf Ensemblen randomisierter Entscheidungsbäume, die Geometrie- und Texturmerkmale zur Klassifikation verwenden. Wir fusionieren Segmentierungen von Einzelbildern einer Szene aus mehreren Ansichten in einer semantischen Objektklassenkarte mit Hilfe unseres SLAM-Verfahrens. Die vorgestellten Methoden werden auf öffentlich verfügbaren Vergleichsdatensätzen und eigenen Datensätzen evaluiert. Einige unserer Ansätze wurden auch in integrierten Robotersystemen für mobile Objekthantierungsaufgaben öffentlich demonstriert. Sie waren ein wichtiger Bestandteil für das Gewinnen der RoboCup-Roboterwettbewerbe in der RoboCup@Home Liga in den Jahren 2011, 2012 und 2013