Keyframe-based monocular SLAM: design, survey, and future directions

Extensive research in the field of monocular SLAM for the past fifteen years has yielded workable systems that found their way into various applications in robotics and augmented reality. Although filter-based monocular SLAM systems were common at some time, the more efficient keyframe-based solutions are becoming the de facto methodology for building a monocular SLAM system. The objective of this paper is threefold: first, the paper serves as a guideline for people seeking to design their own monocular SLAM according to specific environmental constraints. Second, it presents a survey that covers the various keyframe-based monocular SLAM systems in the literature, detailing the components of their implementation, and critically assessing the specific strategies made in each proposed solution. Third, the paper provides insight into the direction of future research in this field, to address the major limitations still facing monocular SLAM; namely, in the issues of illumination changes, initialization, highly dynamic motion, poorly textured scenes, repetitive textures, map maintenance, and failure recovery

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

Long-term experiments with an adaptive spherical view representation for navigation in changing environments

Real-world environments such as houses and offices change over time, meaning that a mobile robot’s map will become out of date. In this work, we introduce a method to update the reference views in a hybrid metric-topological map so that a mobile robot can continue to localize itself in a changing environment. The updating mechanism, based on the multi-store model of human memory, incorporates a spherical metric representation of the observed visual features for each node in the map, which enables the robot to estimate its heading and navigate using multi-view geometry, as well as representing the local 3D geometry of the environment. A series of experiments demonstrate the persistence performance of the proposed system in real changing environments, including analysis of the long-term stability

Distributed consensus in multi-robot systems with visual perception

La idea de equipos de robots actuando con autonomía y de manera cooperativa está cada día más cerca de convertirse en realidad. Los sistemas multi robot pueden ejecutar tareas de gran complejidad con mayor robustez y en menos tiempo que un robot trabajando solo. Por otra parte, la coordinación de un equipo de robots introduce complicaciones que los ingenieros encargados de diseñar estos sistemas deben afrontar. Conseguir que la percepción del entorno sea consistente en todos los robots es uno de los aspectos más importantes requeridos en cualquier tarea cooperativa, lo que implica que las observaciones de cada robot del equipo deben ser transmitidas a todos los otros miembros. Cuando dos o más robots poseen información común del entorno, el equipo debe alcanzar un consenso usando toda la información disponible. Esto se debe hacer considerando las limitaciones de cada robot, teniendo en cuenta que no todos los robots se pueden comunicar unos con otros. Con este objetivo, se aborda la tarea de diseñar algoritmos distribuidos que consigan que un equipo de robots llegue a un consenso acerca de la información percibida por todos los miembros. Específicamente, nos centramos en resolver este problema cuando los robots usan la visión como sensor para percibir el entorno. Las cámaras convencionales son muy útiles a la hora de ejecutar tareas como la navegación y la construcción de mapas, esenciales en el ámbito de la robótica, gracias a la gran cantidad de información que contiene cada imagen. Sin embargo, el uso de estos sensores en un marco distribuido introduce una gran cantidad de complicaciones adicionales que deben ser abordadas si se quiere cumplir el objetivo propuesto. En esta Tesis presentamos un estudio profundo de los algoritmos distribuidos de consenso y cómo estos pueden ser usados por un equipo de robots equipados con cámaras convencionales, resolviendo los aspectos más importantes relacionados con el uso de estos sensores. En la primera parte de la Tesis nos centramos en encontrar correspondencias globales entre las observaciones de todos los robots. De esta manera, los robots son capaces de detectar que observaciones deben ser combinadas para el cálculo del consenso. También lidiamos con el problema de la robustez y la detección distribuida de espurios durante el cálculo del consenso. Para contrarrestar el incremento del tamaño de los mensajes intercambiados por los robots en las etapas anteriores, usamos las propiedades de los polinomios de Chebyshev, reduciendo el número de iteraciones que se requieren para alcanzar el consenso. En la segunda parte de la Tesis, centramos nuestra atención en los problemas de crear un mapa y controlar el movimiento del equipo de robots. Presentamos soluciones para alcanzar un consenso en estos escenarios mediante el uso de técnicas de visión por computador ampliamente conocidas. El uso de algoritmos de estructura y movimiento nos permite obviar restricciones tales como que los robots tengan que observarse unos a otros directamente durante el control o la necesidad de especificar un marco de referencia común. Adicionalmente, nuestros algoritmos tienen un comportamiento robusto cuando la calibración de las cámaras no se conoce. Finalmente, la evaluación de las propuestas se realiza utilizando un data set de un entorno urbano y robots reales con restricciones de movimiento no holónomas. Todos los algoritmos que se presentan en esta Tesis han sido diseñados para ser ejecutados de manera distribuida. En la Tesis demostramos de manera teórica las principales propiedades de los algoritmos que se proponen y evaluamos la calidad de los mismos con datos simulados e imágenes reales. En resumen, las principales contribuciones de esta Tesis son: • Un conjunto de algoritmos distribuidos que permiten a un equipo de robots equipados con cámaras convencionales alcanzar un consenso acerca de la información que perciben. En particular, proponemos tres algoritmos distribuidos con el objetivo de resolver los problemas de encontrar correspondencias globales entre la información de todos los robots, detectar y descartar información espuria, y reducir el número de veces que los robots tienen que comunicarse entre ellos antes de alcanzar el consenso. • La combinación de técnicas de consenso distribuido y estructura y movimiento en tareas de control y percepción. Se ha diseñado un algoritmo para construir un mapa topológico de manera cooperativa usando planos como características del mapa y restricciones de homografía como elementos para relacionar las observaciones de los robots. También se ha propuesto una ley de control distribuida utilizando la geometría epipolar con el objetivo de hacer que el equipo de robots alcance una orientación común sin la necesidad de observarse directamente unos a otros

Mapping and Semantic Perception for Service Robotics

Para realizar una tarea, los robots deben ser capaces de ubicarse en el entorno. Si un robot no sabe dónde se encuentra, es imposible que sea capaz de desplazarse para alcanzar el objetivo de su tarea. La localización y construcción de mapas simultánea, llamado SLAM, es un problema estudiado en la literatura que ofrece una solución a este problema. El objetivo de esta tesis es desarrollar técnicas que permitan a un robot comprender el entorno mediante la incorporación de información semántica. Esta información también proporcionará una mejora en la localización y navegación de las plataformas robóticas. Además, también demostramos cómo un robot con capacidades limitadas puede construir de forma fiable y eficiente los mapas semánticos necesarios para realizar sus tareas cotidianas.El sistema de construcción de mapas presentado tiene las siguientes características: En el lado de la construcción de mapas proponemos la externalización de cálculos costosos a un servidor en nube. Además, proponemos métodos para registrar información semántica relevante con respecto a los mapas geométricos estimados. En cuanto a la reutilización de los mapas construidos, proponemos un método que combina la construcción de mapas con la navegación de un robot para explorar mejor un entorno y disponer de un mapa semántico con los objetos relevantes para una misión determinada.En primer lugar, desarrollamos un algoritmo semántico de SLAM visual que se fusiona los puntos estimados en el mapa, carentes de sentido, con objetos conocidos. Utilizamos un sistema monocular de SLAM basado en un EKF (Filtro Extendido de Kalman) centrado principalmente en la construcción de mapas geométricos compuestos únicamente por puntos o bordes; pero sin ningún significado o contenido semántico asociado. El mapa no anotado se construye utilizando sólo la información extraída de una secuencia de imágenes monoculares. La parte semántica o anotada del mapa -los objetos- se estiman utilizando la información de la secuencia de imágenes y los modelos de objetos precalculados. Como segundo paso, mejoramos el método de SLAM presentado anteriormente mediante el diseño y la implementación de un método distribuido. La optimización de mapas y el almacenamiento se realiza como un servicio en la nube, mientras que el cliente con poca necesidad de computo, se ejecuta en un equipo local ubicado en el robot y realiza el cálculo de la trayectoria de la cámara. Los ordenadores con los que está equipado el robot se liberan de la mayor parte de los cálculos y el único requisito adicional es una conexión a Internet.El siguiente paso es explotar la información semántica que somos capaces de generar para ver cómo mejorar la navegación de un robot. La contribución en esta tesis se centra en la detección 3D y en el diseño e implementación de un sistema de construcción de mapas semántico.A continuación, diseñamos e implementamos un sistema de SLAM visual capaz de funcionar con robustez en entornos poblados debido a que los robots de servicio trabajan en espacios compartidos con personas. El sistema presentado es capaz de enmascarar las zonas de imagen ocupadas por las personas, lo que aumenta la robustez, la reubicación, la precisión y la reutilización del mapa geométrico. Además, calcula la trayectoria completa de cada persona detectada con respecto al mapa global de la escena, independientemente de la ubicación de la cámara cuando la persona fue detectada.Por último, centramos nuestra investigación en aplicaciones de rescate y seguridad. Desplegamos un equipo de robots en entornos que plantean múltiples retos que implican la planificación de tareas, la planificación del movimiento, la localización y construcción de mapas, la navegación segura, la coordinación y las comunicaciones entre todos los robots. La arquitectura propuesta integra todas las funcionalidades mencionadas, asi como varios aspectos de investigación novedosos para lograr una exploración real, como son: localización basada en características semánticas-topológicas, planificación de despliegue en términos de las características semánticas aprendidas y reconocidas, y construcción de mapas.In order to perform a task, robots need to be able to locate themselves in the environment. If a robot does not know where it is, it is impossible for it to move, reach its goal and complete the task. Simultaneous Localization and Mapping, known as SLAM, is a problem extensively studied in the literature for enabling robots to locate themselves in unknown environments. The goal of this thesis is to develop and describe techniques to allow a service robot to understand the environment by incorporating semantic information. This information will also provide an improvement in the localization and navigation of robotic platforms. In addition, we also demonstrate how a simple robot can reliably and efficiently build the semantic maps needed to perform its quotidian tasks. The mapping system as built has the following features. On the map building side we propose the externalization of expensive computations to a cloud server. Additionally, we propose methods to register relevant semantic information with respect to the estimated geometrical maps. Regarding the reuse of the maps built, we propose a method that combines map building with robot navigation to better explore a room in order to obtain a semantic map with the relevant objects for a given mission. Firstly, we develop a semantic Visual SLAM algorithm that merges traditional with known objects in the estimated map. We use a monocular EKF (Extended Kalman Filter) SLAM system that has mainly been focused on producing geometric maps composed simply of points or edges but without any associated meaning or semantic content. The non-annotated map is built using only the information extracted from an image sequence. The semantic or annotated parts of the map –the objects– are estimated using the information in the image sequence and the precomputed object models. As a second step we improve the EKF SLAM presented previously by designing and implementing a visual SLAM system based on a distributed framework. The expensive map optimization and storage is allocated as a service in the Cloud, while a light camera tracking client runs on a local computer. The robot’s onboard computers are freed from most of the computation, the only extra requirement being an internet connection. The next step is to exploit the semantic information that we are able to generate to see how to improve the navigation of a robot. The contribution of this thesis is focused on 3D sensing which we use to design and implement a semantic mapping system. We then design and implement a visual SLAM system able to perform robustly in populated environments due to service robots work in environments where people are present. The system is able to mask the image regions occupied by people out of the rigid SLAM pipeline, which boosts the robustness, the relocation, the accuracy and the reusability of the geometrical map. In addition, it estimates the full trajectory of each detected person with respect to the scene global map, irrespective of the location of the moving camera at the point when the people were imaged. Finally, we focus our research on rescue and security applications. The deployment of a multirobot team in confined environments poses multiple challenges that involve task planning, motion planning, localization and mapping, safe navigation, coordination and communications among all the robots. The architecture integrates, jointly with all the above-mentioned functionalities, several novel features to achieve real exploration: localization based on semantic-topological features, deployment planning in terms of the semantic features learned and recognized, and map building.<br /

Semantic Localization and Mapping in Robot Vision

Integration of human semantics plays an increasing role in robotics tasks such as mapping, localization and detection. Increased use of semantics serves multiple purposes, including giving computers the ability to process and present data containing human meaningful concepts, allowing computers to employ human reasoning to accomplish tasks. This dissertation presents three solutions which incorporate semantics onto visual data in order to address these problems. First, on the problem of constructing topological maps from sequence of images. The proposed solution includes a novel image similarity score which uses dynamic programming to match images using both appearance and relative positions of local features simultaneously. An MRF is constructed to model the probability of loop-closures and a locally optimal labeling is found using Loopy-BP. The recovered loop closures are then used to generate a topological map. Results are presented on four urban sequences and one indoor sequence. The second system uses video and annotated maps to solve localization. Data association is achieved through detection of object classes, annotated in prior maps, rather than through detection of visual features. To avoid the caveats of object recognition, a new representation of query images is introduced consisting of a vector of detection scores for each object class. Using soft object detections, hypotheses about pose are refined through particle filtering. Experiments include both small office spaces, and a large open urban rail station with semantically ambiguous places. This approach showcases a representation that is both robust and can exploit the plethora of existing prior maps for GPS-denied environments while avoiding the data association problems encountered when matching point clouds or visual features. Finally, a purely vision-based approach for constructing semantic maps given camera pose and simple object exemplar images. Object response heatmaps are combined with known pose to back-project detection information onto the world. These update the world model, integrating information over time as the camera moves. The approach avoids making hard decisions on object recognition, and aggregates evidence about objects in the world coordinate system. These solutions simultaneously showcase the contribution of semantics in robotics and provide state of the art solutions to these fundamental problems

Enabling Topological Planning with Monocular Vision

Topological strategies for navigation meaningfully reduce the space of possible actions available to a robot, allowing use of heuristic priors or learning to enable computationally efficient, intelligent planning. The challenges in estimating structure with monocular SLAM in low texture or highly cluttered environments have precluded its use for topological planning in the past. We propose a robust sparse map representation that can be built with monocular vision and overcomes these shortcomings. Using a learned sensor, we estimate high-level structure of an environment from streaming images by detecting sparse vertices (e.g., boundaries of walls) and reasoning about the structure between them. We also estimate the known free space in our map, a necessary feature for planning through previously unknown environments. We show that our mapping technique can be used on real data and is sufficient for planning and exploration in simulated multi-agent search and learned subgoal planning applications.Comment: 7 pages (6 for content + 1 for references), 5 figures. Accepted to the 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automatio

Pushing the Limits of 3D Color Printing: Error Diffusion with Translucent Materials

Accurate color reproduction is important in many applications of 3D printing, from design prototypes to 3D color copies or portraits. Although full color is available via other technologies, multi-jet printers have greater potential for graphical 3D printing, in terms of reproducing complex appearance properties. However, to date these printers cannot produce full color, and doing so poses substantial technical challenges, from the shear amount of data to the translucency of the available color materials. In this paper, we propose an error diffusion halftoning approach to achieve full color with multi-jet printers, which operates on multiple isosurfaces or layers within the object. We propose a novel traversal algorithm for voxel surfaces, which allows the transfer of existing error diffusion algorithms from 2D printing. The resulting prints faithfully reproduce colors, color gradients and fine-scale details.Comment: 15 pages, 14 figures; includes supplemental figure