Visual Odometry and Sparse Scene Reconstruction for UAVs with a Multi-Fisheye Camera System

Autonomously operating UAVs demand a fast localization for navigation, to actively explore unknown areas and to create maps. For pose estimation, many UAV systems make use of a combination of GPS receivers and inertial sensor units (IMU). However, GPS signal coverage may go down occasionally, especially in the close vicinity of objects, and precise IMUs are too heavy to be carried by lightweight UAVs. This and the high cost of high quality IMU motivate the use of inexpensive vision based sensors for localization using visual odometry or visual SLAM (simultaneous localization and mapping) techniques. The first contribution of this thesis is a more general approach to bundle adjustment with an extended version of the projective coplanarity equation which enables us to make use of omnidirectional multi-camera systems which may consist of fisheye cameras that can capture a large field of view with one shot. We use ray directions as observations instead of image points which is why our approach does not rely on a specific projection model assuming a central projection. In addition, our approach allows the integration and estimation of points at infinity, which classical bundle adjustments are not capable of. We show that the integration of far or infinitely far points stabilizes the estimation of the rotation angles of the camera poses. In its second contribution, we employ this approach to bundle adjustment in a highly integrated system for incremental pose estimation and mapping on light-weight UAVs. Based on the image sequences of a multi-camera system our system makes use of tracked feature points to incrementally build a sparse map and incrementally refines this map using the iSAM2 algorithm. Our system is able to optionally integrate GPS information on the level of carrier phase observations even in underconstrained situations, e.g. if only two satellites are visible, for georeferenced pose estimation. This way, we are able to use all available information in underconstrained GPS situations to keep the mapped 3D model accurate and georeferenced. In its third contribution, we present an approach for re-using existing methods for dense stereo matching with fisheye cameras, which has the advantage that highly optimized existing methods can be applied as a black-box without modifications even with cameras that have field of view of more than 180 deg. We provide a detailed accuracy analysis of the obtained dense stereo results. The accuracy analysis shows the growing uncertainty of observed image points of fisheye cameras due to increasing blur towards the image border. Core of the contribution is a rigorous variance component estimation which allows to estimate the variance of the observed disparities at an image point as a function of the distance of that point to the principal point. We show that this improved stochastic model provides a more realistic prediction of the uncertainty of the triangulated 3D points.Autonom operierende UAVs benötigen eine schnelle Lokalisierung zur Navigation, zur Exploration unbekannter Umgebungen und zur Kartierung. Zur Posenbestimmung verwenden viele UAV-Systeme eine Kombination aus GPS-Empfängern und Inertial-Messeinheiten (IMU). Die Verfügbarkeit von GPS-Signalen ist jedoch nicht überall gewährleistet, insbesondere in der Nähe abschattender Objekte, und präzise IMUs sind für leichtgewichtige UAVs zu schwer. Auch die hohen Kosten qualitativ hochwertiger IMUs motivieren den Einsatz von kostengünstigen bildgebenden Sensoren zur Lokalisierung mittels visueller Odometrie oder SLAM-Techniken zur simultanen Lokalisierung und Kartierung. Im ersten wissenschaftlichen Beitrag dieser Arbeit entwickeln wir einen allgemeineren Ansatz für die Bündelausgleichung mit einem erweiterten Modell für die projektive Kollinearitätsgleichung, sodass auch omnidirektionale Multikamerasysteme verwendet werden können, welche beispielsweise bestehend aus Fisheyekameras mit einer Aufnahme einen großen Sichtbereich abdecken. Durch die Integration von Strahlrichtungen als Beobachtungen ist unser Ansatz nicht von einem kameraspezifischen Abbildungsmodell abhängig solange dieses der Zentralprojektion folgt. Zudem erlaubt unser Ansatz die Integration und Schätzung von unendlich fernen Punkten, was bei klassischen Bündelausgleichungen nicht möglich ist. Wir zeigen, dass durch die Integration weit entfernter und unendlich ferner Punkte die Schätzung der Rotationswinkel der Kameraposen stabilisiert werden kann. Im zweiten Beitrag verwenden wir diesen entwickelten Ansatz zur Bündelausgleichung für ein System zur inkrementellen Posenschätzung und dünnbesetzten Kartierung auf einem leichtgewichtigen UAV. Basierend auf den Bildsequenzen eines Mulitkamerasystems baut unser System mittels verfolgter markanter Bildpunkte inkrementell eine dünnbesetzte Karte auf und verfeinert diese inkrementell mittels des iSAM2-Algorithmus. Unser System ist in der Lage optional auch GPS Informationen auf dem Level von GPS-Trägerphasen zu integrieren, wodurch sogar in unterbestimmten Situation - beispielsweise bei nur zwei verfügbaren Satelliten - diese Informationen zur georeferenzierten Posenschätzung verwendet werden können. Im dritten Beitrag stellen wir einen Ansatz zur Verwendung existierender Methoden für dichtes Stereomatching mit Fisheyekameras vor, sodass hoch optimierte existierende Methoden als Black Box ohne Modifzierungen sogar mit Kameras mit einem Gesichtsfeld von mehr als 180 Grad verwendet werden können. Wir stellen eine detaillierte Genauigkeitsanalyse basierend auf dem Ergebnis des dichten Stereomatchings dar. Die Genauigkeitsanalyse zeigt, wie stark die Genauigkeit beobachteter Bildpunkte bei Fisheyekameras zum Bildrand aufgrund von zunehmender Unschärfe abnimmt. Das Kernstück dieses Beitrags ist eine Varianzkomponentenschätzung, welche die Schätzung der Varianz der beobachteten Disparitäten an einem Bildpunkt als Funktion von der Distanz dieses Punktes zum Hauptpunkt des Bildes ermöglicht. Wir zeigen, dass dieses verbesserte stochastische Modell eine realistischere Prädiktion der Genauigkeiten der 3D Punkte ermöglicht

From motion capture to interactive virtual worlds : towards unconstrained motion-capture algorithms for real-time performance-driven character animation

This dissertation takes performance-driven character animation as a representative application and advances motion capture algorithms and animation methods to meet its high demands. Existing approaches have either coarse resolution and restricted capture volume, require expensive and complex multi-camera systems, or use intrusive suits and controllers. For motion capture, set-up time is reduced using fewer cameras, accuracy is increased despite occlusions and general environments, initialization is automated, and free roaming is enabled by egocentric cameras. For animation, increased robustness enables the use of low-cost sensors input, custom control gesture definition is guided to support novice users, and animation expressiveness is increased. The important contributions are: 1) an analytic and differentiable visibility model for pose optimization under strong occlusions, 2) a volumetric contour model for automatic actor initialization in general scenes, 3) a method to annotate and augment image-pose databases automatically, 4) the utilization of unlabeled examples for character control, and 5) the generalization and disambiguation of cyclical gestures for faithful character animation. In summary, the whole process of human motion capture, processing, and application to animation is advanced. These advances on the state of the art have the potential to improve many interactive applications, within and outside virtual reality.Diese Arbeit befasst sich mit Performance-driven Character Animation, insbesondere werden Motion Capture-Algorithmen entwickelt um den hohen Anforderungen dieser Beispielanwendung gerecht zu werden. Existierende Methoden haben entweder eine geringe Genauigkeit und einen eingeschränkten Aufnahmebereich oder benötigen teure Multi-Kamera-Systeme, oder benutzen störende Controller und spezielle Anzüge. Für Motion Capture wird die Setup-Zeit verkürzt, die Genauigkeit für Verdeckungen und generelle Umgebungen erhöht, die Initialisierung automatisiert, und Bewegungseinschränkung verringert. Für Character Animation wird die Robustheit für ungenaue Sensoren erhöht, Hilfe für benutzerdefinierte Gestendefinition geboten, und die Ausdrucksstärke der Animation verbessert. Die wichtigsten Beiträge sind: 1) ein analytisches und differenzierbares Sichtbarkeitsmodell für Rekonstruktionen unter starken Verdeckungen, 2) ein volumetrisches Konturenmodell für automatische Körpermodellinitialisierung in genereller Umgebung, 3) eine Methode zur automatischen Annotation von Posen und Augmentation von Bildern in großen Datenbanken, 4) das Nutzen von Beispielbewegungen für Character Animation, und 5) die Generalisierung und Übertragung von zyklischen Gesten für genaue Charakteranimation. Es wird der gesamte Prozess erweitert, von Motion Capture bis hin zu Charakteranimation. Die Verbesserungen sind für viele interaktive Anwendungen geeignet, innerhalb und außerhalb von virtueller Realität

From motion capture to interactive virtual worlds : towards unconstrained motion-capture algorithms for real-time performance-driven character animation

This dissertation takes performance-driven character animation as a representative application and advances motion capture algorithms and animation methods to meet its high demands. Existing approaches have either coarse resolution and restricted capture volume, require expensive and complex multi-camera systems, or use intrusive suits and controllers. For motion capture, set-up time is reduced using fewer cameras, accuracy is increased despite occlusions and general environments, initialization is automated, and free roaming is enabled by egocentric cameras. For animation, increased robustness enables the use of low-cost sensors input, custom control gesture definition is guided to support novice users, and animation expressiveness is increased. The important contributions are: 1) an analytic and differentiable visibility model for pose optimization under strong occlusions, 2) a volumetric contour model for automatic actor initialization in general scenes, 3) a method to annotate and augment image-pose databases automatically, 4) the utilization of unlabeled examples for character control, and 5) the generalization and disambiguation of cyclical gestures for faithful character animation. In summary, the whole process of human motion capture, processing, and application to animation is advanced. These advances on the state of the art have the potential to improve many interactive applications, within and outside virtual reality.Diese Arbeit befasst sich mit Performance-driven Character Animation, insbesondere werden Motion Capture-Algorithmen entwickelt um den hohen Anforderungen dieser Beispielanwendung gerecht zu werden. Existierende Methoden haben entweder eine geringe Genauigkeit und einen eingeschränkten Aufnahmebereich oder benötigen teure Multi-Kamera-Systeme, oder benutzen störende Controller und spezielle Anzüge. Für Motion Capture wird die Setup-Zeit verkürzt, die Genauigkeit für Verdeckungen und generelle Umgebungen erhöht, die Initialisierung automatisiert, und Bewegungseinschränkung verringert. Für Character Animation wird die Robustheit für ungenaue Sensoren erhöht, Hilfe für benutzerdefinierte Gestendefinition geboten, und die Ausdrucksstärke der Animation verbessert. Die wichtigsten Beiträge sind: 1) ein analytisches und differenzierbares Sichtbarkeitsmodell für Rekonstruktionen unter starken Verdeckungen, 2) ein volumetrisches Konturenmodell für automatische Körpermodellinitialisierung in genereller Umgebung, 3) eine Methode zur automatischen Annotation von Posen und Augmentation von Bildern in großen Datenbanken, 4) das Nutzen von Beispielbewegungen für Character Animation, und 5) die Generalisierung und Übertragung von zyklischen Gesten für genaue Charakteranimation. Es wird der gesamte Prozess erweitert, von Motion Capture bis hin zu Charakteranimation. Die Verbesserungen sind für viele interaktive Anwendungen geeignet, innerhalb und außerhalb von virtueller Realität

Computational intelligence approaches to robotics, automation, and control [Volume guest editors]

No abstract available

Computational intelligence approaches to robotics, automation, and control [Volume guest editors]

No abstract available

Artech 2008: proceedings of the 4th International Conference on Digital Arts

ARTECH 2008 is the fourth international conference held in Portugal and Galicia on the topic of Digital Arts. It aims to promote contacts between Iberian and International contributors concerned with the conception, production and dissemination of Digital and Electronic Art. ARTECH brings the scientific, technological and artistic community together, promoting the interest in the digital culture and its intersection with art and technology as an important research field, a common space for discussion, an exchange of experiences, a forum for emerging digital artists and a way of understanding and appreciating new forms of cultural expression. Hosted by the Portuguese Catholic University’s School of Arts (UCP-EA) at the City of Porto, ARTCH 2008 falls in alignment with the main commitment of the Research Center for Science and Technology of the Arts (CITAR) to promote knowledge in the field of the Arts trough research and development within UCP-AE and together with the local and international community. The main areas proposed for the conference were related with sound, image, video, music, multimedia and other new media related topics, in the context of emerging practice of artistic creation. Although non exclusive, the main topics of the conference are usually: Art and Science; Audio-Visual and Multimedia Design; Creativity Theory; Electronic Music; Generative and Algorithmic Art; Interactive Systems for Artistic Applications; Media Art history; Mobile Multimedia; Net Art and Digital Culture; New Experiences with New Media and New Applications; Tangible and Gesture Interfaces; Technology in Art Education; Virtual Reality and Augmented Reality. The contribution from the international community was extremely gratifying, resulting in the submission of 79 original works (Long Papers, Short Papers and installation proposals) from 22 Countries. Our Scientific Committee reviewed these submissions thoroughly resulting in a 73% acceptance ratio of a diverse and promising body of work presented in this book of proceedings. This compilation of articles provides an overview of the state of the art as well as a glimpse of new tendencies in the field of Digital Arts, with special emphasis in the topics: Sound and Music Computing; Technology Mediated Dance; Collaborative Art Performance; Digital Narratives; Media Art and Creativity Theory; Interactive Art; Audiovisual and Multimedia Design.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

XLIII Jornadas de Automática: libro de actas: 7, 8 y 9 de septiembre de 2022, Logroño (La Rioja)

[Resumen] Las Jornadas de Automática (JA) son el evento más importante del Comité Español de Automática (CEA), entidad científico-técnica con más de cincuenta años de vida y destinada a la difusión e implantación de la Automática en la sociedad. Este año se celebra la cuadragésima tercera edición de las JA, que constituyen el punto de encuentro de la comunidad de Automática de nuestro país. La presente edición permitirá dar visibilidad a los nuevos retos y resultados del ámbito, y su uso en un gran número de aplicaciones, entre otras, las energías renovables, la bioingeniería o la robótica asistencial. Además de la componente científica, que se ve reflejada en este libro de actas, las JA son un punto de encuentro de las diferentes generaciones de profesores, investigadores y profesionales, incluyendo la componente social que es de vital importancia. Esta edición 2022 de las JA se celebra en Logroño, capital de La Rioja, región mundialmente conocida por la calidad de sus vinos de Denominación de Origen y que ha asumido el desafío de poder ganar competitividad a través de la transformación verde y digital. Pero también por ser la cuna del castellano e impulsar el Valle de la Lengua con la ayuda de las nuevas tecnologías, entre ellas la Automática Inteligente. Los organizadores de estas JA, pertenecientes al Área de Ingeniería de Sistemas y Automática del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de La Rioja (UR), constituyen un pilar fundamental en el apoyo a la región para el estudio, implementación y difusión de estos retos. Esta edición, la primera en formato íntegramente presencial después de la pandemia de la covid-19, cuenta con más de 200 asistentes y se celebra a caballo entre el Edificio Politécnico de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial y el Monasterio de Yuso situado en San Millán de la Cogolla, dos marcos excepcionales para la realización de las JA. Como parte del programa científico, dos sesiones plenarias harán hincapié, respectivamente, sobre soluciones de control para afrontar los nuevos retos energéticos, y sobre la calidad de los datos para una inteligencia artificial (IA) imparcial y confiable. También, dos mesas redondas debatirán aplicaciones de la IA y la implantación de la tecnología digital en la actividad profesional. Adicionalmente, destacaremos dos clases magistrales alineadas con tecnología de última generación que serán impartidas por profesionales de la empresa. Las JA también van a albergar dos competiciones: CEABOT, con robots humanoides, y el Concurso de Ingeniería de Control, enfocado a UAVs. A todas estas actividades hay que añadir las reuniones de los grupos temáticos de CEA, las exhibiciones de pósteres con las comunicaciones presentadas a las JA y los expositores de las empresas. Por último, durante el evento se va a proceder a la entrega del “Premio Nacional de Automática” (edición 2022) y del “Premio CEA al Talento Femenino en Automática”, patrocinado por el Gobierno de La Rioja (en su primera edición), además de diversos galardones enmarcados dentro de las actividades de los grupos temáticos de CEA. Las actas de las XLIII Jornadas de Automática están formadas por un total de 143 comunicaciones, organizadas en torno a los nueve Grupos Temáticos y a las dos Líneas Estratégicas de CEA. Los trabajos seleccionados han sido sometidos a un proceso de revisión por pares