Past, Present, and Future of Simultaneous Localization And Mapping: Towards the Robust-Perception Age

Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)consists in the concurrent construction of a model of the environment (the map), and the estimation of the state of the robot moving within it. The SLAM community has made astonishing progress over the last 30 years, enabling large-scale real-world applications, and witnessing a steady transition of this technology to industry. We survey the current state of SLAM. We start by presenting what is now the de-facto standard formulation for SLAM. We then review related work, covering a broad set of topics including robustness and scalability in long-term mapping, metric and semantic representations for mapping, theoretical performance guarantees, active SLAM and exploration, and other new frontiers. This paper simultaneously serves as a position paper and tutorial to those who are users of SLAM. By looking at the published research with a critical eye, we delineate open challenges and new research issues, that still deserve careful scientific investigation. The paper also contains the authors' take on two questions that often animate discussions during robotics conferences: Do robots need SLAM? and Is SLAM solved

Material Recognition Meets 3D Reconstruction : Novel Tools for Efficient, Automatic Acquisition Systems

For decades, the accurate acquisition of geometry and reflectance properties has represented one of the major objectives in computer vision and computer graphics with many applications in industry, entertainment and cultural heritage. Reproducing even the finest details of surface geometry and surface reflectance has become a ubiquitous prerequisite in visual prototyping, advertisement or digital preservation of objects. However, today's acquisition methods are typically designed for only a rather small range of material types. Furthermore, there is still a lack of accurate reconstruction methods for objects with a more complex surface reflectance behavior beyond diffuse reflectance. In addition to accurate acquisition techniques, the demand for creating large quantities of digital contents also pushes the focus towards fully automatic and highly efficient solutions that allow for masses of objects to be acquired as fast as possible. This thesis is dedicated to the investigation of basic components that allow an efficient, automatic acquisition process. We argue that such an efficient, automatic acquisition can be realized when material recognition "meets" 3D reconstruction and we will demonstrate that reliably recognizing the materials of the considered object allows a more efficient geometry acquisition. Therefore, the main objectives of this thesis are given by the development of novel, robust geometry acquisition techniques for surface materials beyond diffuse surface reflectance, and the development of novel, robust techniques for material recognition. In the context of 3D geometry acquisition, we introduce an improvement of structured light systems, which are capable of robustly acquiring objects ranging from diffuse surface reflectance to even specular surface reflectance with a sufficient diffuse component. We demonstrate that the resolution of the reconstruction can be increased significantly for multi-camera, multi-projector structured light systems by using overlappings of patterns that have been projected under different projector poses. As the reconstructions obtained by applying such triangulation-based techniques still contain high-frequency noise due to inaccurately localized correspondences established for images acquired under different viewpoints, we furthermore introduce a novel geometry acquisition technique that complements the structured light system with additional photometric normals and results in significantly more accurate reconstructions. In addition, we also present a novel method to acquire the 3D shape of mirroring objects with complex surface geometry. The aforementioned investigations on 3D reconstruction are accompanied by the development of novel tools for reliable material recognition which can be used in an initial step to recognize the present surface materials and, hence, to efficiently select the subsequently applied appropriate acquisition techniques based on these classified materials. In the scope of this thesis, we therefore focus on material recognition for scenarios with controlled illumination as given in lab environments as well as scenarios with natural illumination that are given in photographs of typical daily life scenes. Finally, based on the techniques developed in this thesis, we provide novel concepts towards efficient, automatic acquisition systems

Policy-Based Planning for Robust Robot Navigation

This thesis proposes techniques for constructing and implementing an extensible navigation framework suitable for operating alongside or in place of traditional navigation systems. Robot navigation is only possible when many subsystems work in tandem such as localization and mapping, motion planning, control, and object tracking. Errors in any one of these subsystems can result in the robot failing to accomplish its task, oftentimes requiring human interventions that diminish the benefits theoretically provided by autonomous robotic systems. Our first contribution is Direction Approximation through Random Trials (DART), a method for generating human-followable navigation instructions optimized for followability instead of traditional metrics such as path length. We show how this strategy can be extended to robot navigation planning, allowing the robot to compute the sequence of control policies and switching conditions maximizing the likelihood with which the robot will reach its goal. This technique allows robots to select plans based on reliability in addition to efficiency, avoiding error-prone actions or areas of the environment. We also show how DART can be used to build compact, topological maps of its environments, offering opportunities to scale to larger environments. DART depends on the existence of a set of behaviors and switching conditions describing ways the robot can move through an environment. In the remainder of this thesis, we present methods for learning these behaviors and conditions in indoor environments. To support landmark-based navigation, we show how to train a Convolutional Neural Network (CNN) to distinguish between semantically labeled 2D occupancy grids generated from LIDAR data. By providing the robot the ability to recognize specific classes of places based on human labels, not only do we support transitioning between control laws, but also provide hooks for human-aided instruction and direction. Additionally, we suggest a subset of behaviors that provide DART with a sufficient set of actions to navigate in most indoor environments and introduce a method to learn these behaviors from teleloperated demonstrations. Our method learns a cost function suitable for integration into gradient-based control schemes. This enables the robot to execute behaviors in the absence of global knowledge. We present results demonstrating these behaviors working in several environments with varied structure, indicating that they generalize well to new environments. This work was motivated by the weaknesses and brittleness of many state-of-the-art navigation systems. Reliable navigation is the foundation of any mobile robotic system. It provides access to larger work spaces and enables a wide variety of tasks. Even though navigation systems have continued to improve, catastrophic failures can still occur (e.g. due to an incorrect loop closure) that limit their reliability. Furthermore, as work areas approach the scale of kilometers, constructing and operating on precise localization maps becomes expensive. These limitations prevent large scale deployments of robots outside of controlled settings and laboratory environments. The work presented in this thesis is intended to augment or replace traditional navigation systems to mitigate concerns about scalability and reliability by considering the effects of navigation failures for particular actions. By considering these effects when evaluating the actions to take, our framework can adapt navigation strategies to best take advantage of the capabilities of the robot in a given environment. A natural output of our framework is a topological network of actions and switching conditions, providing compact representations of work areas suitable for fast, scalable planning.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/144073/1/rgoeddel_1.pd

Sensor fusion in smart camera networks for ambient intelligence

This short report introduces the topics of PhD research that was conducted on 2008-2013 and was defended on July 2013. The PhD thesis covers sensor fusion theory, gathers it into a framework with design rules for fusion-friendly design of vision networks, and elaborates on the rules through fusion experiments performed with four distinct applications of Ambient Intelligence

Coping with Data Scarcity in Deep Learning and Applications for Social Good

The recent years are experiencing an extremely fast evolution of the Computer Vision and Machine Learning fields: several application domains benefit from the newly developed technologies and industries are investing a growing amount of money in Artificial Intelligence. Convolutional Neural Networks and Deep Learning substantially contributed to the rise and the diffusion of AI-based solutions, creating the potential for many disruptive new businesses. The effectiveness of Deep Learning models is grounded by the availability of a huge amount of training data. Unfortunately, data collection and labeling is an extremely expensive task in terms of both time and costs; moreover, it frequently requires the collaboration of domain experts. In the first part of the thesis, I will investigate some methods for reducing the cost of data acquisition for Deep Learning applications in the relatively constrained industrial scenarios related to visual inspection. I will primarily assess the effectiveness of Deep Neural Networks in comparison with several classical Machine Learning algorithms requiring a smaller amount of data to be trained. Hereafter, I will introduce a hardware-based data augmentation approach, which leads to a considerable performance boost taking advantage of a novel illumination setup designed for this purpose. Finally, I will investigate the situation in which acquiring a sufficient number of training samples is not possible, in particular the most extreme situation: zero-shot learning (ZSL), which is the problem of multi-class classification when no training data is available for some of the classes. Visual features designed for image classification and trained offline have been shown to be useful for ZSL to generalize towards classes not seen during training. Nevertheless, I will show that recognition performances on unseen classes can be sharply improved by learning ad hoc semantic embedding (the pre-defined list of present and absent attributes that represent a class) and visual features, to increase the correlation between the two geometrical spaces and ease the metric learning process for ZSL. In the second part of the thesis, I will present some successful applications of state-of-the- art Computer Vision, Data Analysis and Artificial Intelligence methods. I will illustrate some solutions developed during the 2020 Coronavirus Pandemic for controlling the disease vii evolution and for reducing virus spreading. I will describe the first publicly available dataset for the analysis of face-touching behavior that we annotated and distributed, and I will illustrate an extensive evaluation of several computer vision methods applied to the produced dataset. Moreover, I will describe the privacy-preserving solution we developed for estimating the \u201cSocial Distance\u201d and its violations, given a single uncalibrated image in unconstrained scenarios. I will conclude the thesis with a Computer Vision solution developed in collaboration with the Egyptian Museum of Turin for digitally unwrapping mummies analyzing their CT scan, to support the archaeologists during mummy analysis and avoiding the devastating and irreversible process of physically unwrapping the bandages for removing amulets and jewels from the body

Unsupervised object candidate discovery for activity recognition

Die automatische Interpretation menschlicher Bewegungsabläufe auf Basis von Videos ist ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen im Bereich des Maschinellen Sehens, wie zum Beispiel Mensch-Roboter Interaktion, Videoüberwachung, und inhaltsbasierte Analyse von Multimedia Daten. Anders als die meisten Ansätze auf diesem Gebiet, die hauptsächlich auf die Klassifikation von einfachen Aktionen, wie Aufstehen, oder Gehen ausgerichtet sind, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Erkennung menschlicher Aktivitäten, d.h. komplexer Aktionssequenzen, die meist Interaktionen des Menschen mit Objekten beinhalten. Gemäß der Aktionsidentifikationstheorie leiten menschliche Aktivitäten ihre Bedeutung nicht nur von den involvierten Bewegungsmustern ab, sondern vor allem vom generellen Kontext, in dem sie stattfinden. Zu diesen kontextuellen Informationen gehören unter anderem die Gesamtheit aller vorher furchgeführter Aktionen, der Ort an dem sich die aktive Person befindet, sowie die Menge der Objekte, die von ihr manipuliert werden. Es ist zum Beispiel nicht möglich auf alleiniger Basis von Bewegungsmustern und ohne jeglicher Miteinbeziehung von Objektwissen zu entschieden ob eine Person, die ihre Hand zum Mund führt gerade etwas isst oder trinkt, raucht, oder bloß die Lippen abwischt. Die meisten Arbeiten auf dem Gebiet der computergestützten Aktons- und Aktivitätserkennung ignorieren allerdings jegliche durch den Kontext bedingte Informationen und beschränken sich auf die Identifikation menschlicher Aktivitäten auf Basis der beobachteten Bewegung. Wird jedoch Objektwissen für die Klassifikation miteinbezogen, so geschieht dies meist unter Zuhilfenahme von überwachten Detektoren, für deren Einrichtung widerum eine erhebliche Menge an Trainingsdaten erforderlich ist. Bedingt durch die hohen zeitlichen Kosten, die die Annotation dieser Trainingsdaten mit sich bringt, wird das Erweitern solcher Systeme, zum Beispiel durch das Hinzufügen neuer Typen von Aktionen, zum eigentlichen Flaschenhals. Ein weiterer Nachteil des Hinzuziehens von überwacht trainierten Objektdetektoren, ist deren Fehleranfälligkeit, selbst wenn die verwendeten Algorithmen dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Basierend auf dieser Beobachtung ist das Ziel dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit computergestützter Aktivitätserkennung zu verbessern mit Hilfe der Hinzunahme von Objektwissen, welches im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen ohne überwachten Trainings gewonnen werden kann. Wir Menschen haben die bemerkenswerte Fähigkeit selektiv die Aufmerksamkeit auf bestimmte Regionen im Blickfeld zu fokussieren und gleichzeitig nicht relevante Regionen auszublenden. Dieser kognitive Prozess erlaubt es uns unsere beschränkten Bewusstseinsressourcen unbewusst auf Inhalte zu richten, die anschließend durch das Gehirn ausgewertet werden. Zum Beispiel zur Interpretation visueller Muster als Objekte eines bestimmten Typs. Die Regionen im Blickfeld, die unsere Aufmerksamkeit unbewusst anziehen werden als Proto-Objekte bezeichnet. Sie sind definiert als unbestimmte Teile des visuellen Informationsspektrums, die zu einem späteren Zeitpunkt durch den Menschen als tatsächliche Objekte wahrgenommen werden können, wenn er seine Aufmerksamkeit auf diese richtet. Einfacher ausgedrückt: Proto-Objekte sind Kandidaten für Objekte, oder deren Bestandteile, die zwar lokalisiert aber noch nicht identifiziert wurden. Angeregt durch die menschliche Fähigkeit solche visuell hervorstechenden (salienten) Regionen zuverlässig vom Hintergrund zu unterscheiden, haben viele Wissenschaftler Methoden entwickelt, die es erlauben Proto-Objekte zu lokalisieren. Allen diesen Algorithmen ist gemein, dass möglichst wenig statistisches Wissens über tatsächliche Objekte vorausgesetzt wird. Visuelle Aufmerksamkeit und Objekterkennung sind sehr eng miteinander vernküpfte Prozesse im visuellen System des Menschen. Aus diesem Grund herrscht auf dem Gebiet des Maschinellen Sehens ein reges Interesse an der Integration beider Konzepte zur Erhöhung der Leistung aktueller Bilderkennungssysteme. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden gehen in eine ähnliche Richtung: wir demonstrieren, dass die Lokalisation von Proto-Objekten es erlaubt Objektkandidaten zu finden, die geeignet sind als zusätzliche Modalität zu dienen für die bewegungsbasierte Erkennung menschlicher Aktivitäten. Die Grundlage dieser Arbeit bildet dabei ein sehr effizienter Algorithmus, der die visuelle Salienz mit Hilfe von quaternionenbasierten DCT Bildsignaturen approximiert. Zur Extraktion einer Menge geeigneter Objektkandidaten (d.h. Proto-Objekten) aus den resultierenden Salienzkarten, haben wir eine Methode entwickelt, die den kognitiven Mechanismus des Inhibition of Return implementiert. Die auf diese Weise gewonnenen Objektkandidaten nutzen wir anschliessend in Kombination mit state-of-the-art Bag-of-Words Methoden zur Merkmalsbeschreibung von Bewegungsmustern um komplexe Aktivitäten des täglichen Lebens zu klassifizieren. Wir evaluieren das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte System auf diversen häufig genutzten Benchmark-Datensätzen und zeigen experimentell, dass das Miteinbeziehen von Proto-Objekten für die Aktivitätserkennung zu einer erheblichen Leistungssteigerung führt im Vergleich zu rein bewegungsbasierten Ansätzen. Zudem demonstrieren wir, dass das vorgestellte System bei der Erkennung menschlicher Aktivitäten deutlich weniger Fehler macht als eine Vielzahl von Methoden, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Überraschenderweise übertrifft unser System leistungsmäßig sogar Verfahren, die auf Objektwissen aufbauen, welches von überwacht trainierten Detektoren, oder manuell erstellten Annotationen stammt. Benchmark-Datensätze sind ein sehr wichtiges Mittel zum quantitativen Vergleich von computergestützten Mustererkennungsverfahren. Nach einer Überprüfung aller öffentlich verfügbaren, relevanten Benchmarks, haben wir jedoch festgestellt, dass keiner davon geeignet war für eine detaillierte Evaluation von Methoden zur Erkennung komplexer, menschlicher Aktivitäten. Aus diesem Grund bestand ein Teil dieser Arbeit aus der Konzeption und Aufnahme eines solchen Datensatzes, des KIT Robo-kitchen Benchmarks. Wie der Name vermuten lässt haben wir uns dabei für ein Küchenszenario entschieden, da es ermöglicht einen großen Umfang an Aktivitäten des täglichen Lebens einzufangen, von denen viele Objektmanipulationen enthalten. Um eine möglichst umfangreiche Menge natürlicher Bewegungen zu erhalten, wurden die Teilnehmer während der Aufnahmen kaum eingeschränkt in der Art und Weise wie die diversen Aktivitäten auszuführen sind. Zu diesem Zweck haben wir den Probanden nur die Art der auszuführenden Aktivität mitgeteilt, sowie wo die benötigten Gegenstände zu finden sind, und ob die jeweilige Tätigkeit am Küchentisch oder auf der Arbeitsplatte auszuführen ist. Dies hebt KIT Robo-kitchen deutlich hervor gegenüber den meisten existierenden Datensätzen, die sehr unrealistisch gespielte Aktivitäten enthalten, welche unter Laborbedingungen aufgenommen wurden. Seit seiner Veröffentlichung wurde der resultierende Benchmark mehrfach verwendet zur Evaluation von Algorithmen, die darauf abzielen lang andauerne, realistische, komplexe, und quasi-periodische menschliche Aktivitäten zu erkennen

Task-adaptable, Pervasive Perception for Robots Performing Everyday Manipulation

Intelligent robotic agents that help us in our day-to-day chores have been an aspiration of robotics researchers for decades. More than fifty years since the creation of the first intelligent mobile robotic agent, robots are still struggling to perform seemingly simple tasks, such as setting or cleaning a table. One of the reasons for this is that the unstructured environments these robots are expected to work in impose demanding requirements on a robota s perception system. Depending on the manipulation task the robot is required to execute, different parts of the environment need to be examined, the objects in it found and functional parts of these identified. This is a challenging task, since the visual appearance of the objects and the variety of scenes they are found in are large. This thesis proposes to treat robotic visual perception for everyday manipulation tasks as an open question-asnswering problem. To this end RoboSherlock, a framework for creating task-adaptable, pervasive perception systems is presented. Using the framework, robot perception is addressed from a systema s perspective and contributions to the state-of-the-art are proposed that introduce several enhancements which scale robot perception toward the needs of human-level manipulation. The contributions of the thesis center around task-adaptability and pervasiveness of perception systems. A perception task-language and a language interpreter that generates task-relevant perception plans is proposed. The task-language and task-interpreter leverage the power of knowledge representation and knowledge-based reasoning in order to enhance the question-answering capabilities of the system. Pervasiveness, a seamless integration of past, present and future percepts, is achieved through three main contributions: a novel way for recording, replaying and inspecting perceptual episodic memories, a new perception component that enables pervasive operation and maintains an object belief state and a novel prospection component that enables robots to relive their past experiences and anticipate possible future scenarios. The contributions are validated through several real world robotic experiments that demonstrate how the proposed system enhances robot perception