1,322 research outputs found

    Light field image processing: an overview

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    Light field imaging has emerged as a technology allowing to capture richer visual information from our world. As opposed to traditional photography, which captures a 2D projection of the light in the scene integrating the angular domain, light fields collect radiance from rays in all directions, demultiplexing the angular information lost in conventional photography. On the one hand, this higher dimensional representation of visual data offers powerful capabilities for scene understanding, and substantially improves the performance of traditional computer vision problems such as depth sensing, post-capture refocusing, segmentation, video stabilization, material classification, etc. On the other hand, the high-dimensionality of light fields also brings up new challenges in terms of data capture, data compression, content editing, and display. Taking these two elements together, research in light field image processing has become increasingly popular in the computer vision, computer graphics, and signal processing communities. In this paper, we present a comprehensive overview and discussion of research in this field over the past 20 years. We focus on all aspects of light field image processing, including basic light field representation and theory, acquisition, super-resolution, depth estimation, compression, editing, processing algorithms for light field display, and computer vision applications of light field data

    Real-Time Mapping Using Stereoscopic Vision Optimization

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    This research focuses on efficient methods of generating 2D maps from stereo vision in real-time. Instead of attempting to locate edges between objects, we make the assumption that the representative surfaces of objects in a view provide enough information to generate a map while taking less time to locate during processing. Since all real-time vision processing endeavors are extremely computationally intensive, numerous optimization techniques are applied to allow for a real-time application: horizontal spike smoothing for post-disparity noise, masks to focus on close-proximity objects, melding for object synthesis, and rectangular fitting for object extraction under a planar assumption. Additionally, traditional image transformation mechanisms such as rotation, translation, and scaling are integrated. Results from our research are an encouraging 10Hz with no vision post processing and accuracy up to 11 feet. Finally, vision mapping results are compared to simultaneously collected sonar data in three unique experimental settings

    Optical techniques for 3D surface reconstruction in computer-assisted laparoscopic surgery

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    One of the main challenges for computer-assisted surgery (CAS) is to determine the intra-opera- tive morphology and motion of soft-tissues. This information is prerequisite to the registration of multi-modal patient-specific data for enhancing the surgeon’s navigation capabilites by observ- ing beyond exposed tissue surfaces and for providing intelligent control of robotic-assisted in- struments. In minimally invasive surgery (MIS), optical techniques are an increasingly attractive approach for in vivo 3D reconstruction of the soft-tissue surface geometry. This paper reviews the state-of-the-art methods for optical intra-operative 3D reconstruction in laparoscopic surgery and discusses the technical challenges and future perspectives towards clinical translation. With the recent paradigm shift of surgical practice towards MIS and new developments in 3D opti- cal imaging, this is a timely discussion about technologies that could facilitate complex CAS procedures in dynamic and deformable anatomical regions

    Advances in Stereo Vision

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    Stereopsis is a vision process whose geometrical foundation has been known for a long time, ever since the experiments by Wheatstone, in the 19th century. Nevertheless, its inner workings in biological organisms, as well as its emulation by computer systems, have proven elusive, and stereo vision remains a very active and challenging area of research nowadays. In this volume we have attempted to present a limited but relevant sample of the work being carried out in stereo vision, covering significant aspects both from the applied and from the theoretical standpoints

    Efficient and Accurate Disparity Estimation from MLA-Based Plenoptic Cameras

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    This manuscript focuses on the processing images from microlens-array based plenoptic cameras. These cameras enable the capturing of the light field in a single shot, recording a greater amount of information with respect to conventional cameras, allowing to develop a whole new set of applications. However, the enhanced information introduces additional challenges and results in higher computational effort. For one, the image is composed of thousand of micro-lens images, making it an unusual case for standard image processing algorithms. Secondly, the disparity information has to be estimated from those micro-images to create a conventional image and a three-dimensional representation. Therefore, the work in thesis is devoted to analyse and propose methodologies to deal with plenoptic images. A full framework for plenoptic cameras has been built, including the contributions described in this thesis. A blur-aware calibration method to model a plenoptic camera, an optimization method to accurately select the best microlenses combination, an overview of the different types of plenoptic cameras and their representation. Datasets consisting of both real and synthetic images have been used to create a benchmark for different disparity estimation algorithm and to inspect the behaviour of disparity under different compression rates. A robust depth estimation approach has been developed for light field microscopy and image of biological samples

    Development of Correspondence Field and Its Application to Effective Depth Estimation in Stereo Camera Systems

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    Stereo camera systems are still the most widely used apparatus for estimating 3D or depth information of a scene due to their low-cost. Estimation of depth using a stereo camera requires first estimating the disparity map using stereo matching algorithms and calculating depth via triangulation based on the camera arrangement (their locations and orientations with respect to the scene). In almost all cases, the arrangement is determined based on human experience since there lacks an effective theoretical tool to guide the design of the camera arrangement. This thesis presents the development of a novel tool, called correspondence field (CF), and its application to optimize the stereo camera arrangement for depth estimation

    Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

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    Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet
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