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

Co-Fusion: Real-time Segmentation, Tracking and Fusion of Multiple Objects

In this paper we introduce Co-Fusion, a dense SLAM system that takes a live stream of RGB-D images as input and segments the scene into different objects (using either motion or semantic cues) while simultaneously tracking and reconstructing their 3D shape in real time. We use a multiple model fitting approach where each object can move independently from the background and still be effectively tracked and its shape fused over time using only the information from pixels associated with that object label. Previous attempts to deal with dynamic scenes have typically considered moving regions as outliers, and consequently do not model their shape or track their motion over time. In contrast, we enable the robot to maintain 3D models for each of the segmented objects and to improve them over time through fusion. As a result, our system can enable a robot to maintain a scene description at the object level which has the potential to allow interactions with its working environment; even in the case of dynamic scenes.Comment: International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2017, http://visual.cs.ucl.ac.uk/pubs/cofusion, https://github.com/martinruenz/co-fusio

SegICP: Integrated Deep Semantic Segmentation and Pose Estimation

Recent robotic manipulation competitions have highlighted that sophisticated robots still struggle to achieve fast and reliable perception of task-relevant objects in complex, realistic scenarios. To improve these systems' perceptive speed and robustness, we present SegICP, a novel integrated solution to object recognition and pose estimation. SegICP couples convolutional neural networks and multi-hypothesis point cloud registration to achieve both robust pixel-wise semantic segmentation as well as accurate and real-time 6-DOF pose estimation for relevant objects. Our architecture achieves 1cm position error and <5^\circ$ angle error in real time without an initial seed. We evaluate and benchmark SegICP against an annotated dataset generated by motion capture.Comment: IROS camera-read

3D environment mapping using the Kinect V2 and path planning based on RRT algorithms

This paper describes a 3D path planning system that is able to provide a solution trajectory for the automatic control of a robot. The proposed system uses a point cloud obtained from the robot workspace, with a Kinect V2 sensor to identify the interest regions and the obstacles of the environment. Our proposal includes a collision-free path planner based on the Rapidly-exploring Random Trees variant (RRT*), for a safe and optimal navigation of robots in 3D spaces. Results on RGB-D segmentation and recognition, point cloud processing, and comparisons between different RRT* algorithms, are presented.Peer ReviewedPostprint (published version

Efficient 3D Segmentation, Registration and Mapping for Mobile Robots

Sometimes simple is better! For certain situations and tasks, simple but robust methods can achieve the same or better results in the same or less time than related sophisticated approaches. In the context of robots operating in real-world environments, key challenges are perceiving objects of interest and obstacles as well as building maps of the environment and localizing therein. The goal of this thesis is to carefully analyze such problem formulations, to deduce valid assumptions and simplifications, and to develop simple solutions that are both robust and fast. All approaches make use of sensors capturing 3D information, such as consumer RGBD cameras. Comparative evaluations show the performance of the developed approaches. For identifying objects and regions of interest in manipulation tasks, a real-time object segmentation pipeline is proposed. It exploits several common assumptions of manipulation tasks such as objects being on horizontal support surfaces (and well separated). It achieves real-time performance by using particularly efficient approximations in the individual processing steps, subsampling the input data where possible, and processing only relevant subsets of the data. The resulting pipeline segments 3D input data with up to 30Hz. In order to obtain complete segmentations of the 3D input data, a second pipeline is proposed that approximates the sampled surface, smooths the underlying data, and segments the smoothed surface into coherent regions belonging to the same geometric primitive. It uses different primitive models and can reliably segment input data into planes, cylinders and spheres. A thorough comparative evaluation shows state-of-the-art performance while computing such segmentations in near real-time. The second part of the thesis addresses the registration of 3D input data, i.e., consistently aligning input captured from different view poses. Several methods are presented for different types of input data. For the particular application of mapping with micro aerial vehicles where the 3D input data is particularly sparse, a pipeline is proposed that uses the same approximate surface reconstruction to exploit the measurement topology and a surface-to-surface registration algorithm that robustly aligns the data. Optimization of the resulting graph of determined view poses then yields globally consistent 3D maps. For sequences of RGBD data this pipeline is extended to include additional subsampling steps and an initial alignment of the data in local windows in the pose graph. In both cases, comparative evaluations show a robust and fast alignment of the input data

High-level environment representations for mobile robots

In most robotic applications we are faced with the problem of building a digital representation of the environment that allows the robot to autonomously complete its tasks. This internal representation can be used by the robot to plan a motion trajectory for its mobile base and/or end-effector. For most man-made environments we do not have a digital representation or it is inaccurate. Thus, the robot must have the capability of building it autonomously. This is done by integrating into an internal data structure incoming sensor measurements. For this purpose, a common solution consists in solving the Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) problem. The map obtained by solving a SLAM problem is called ``metric'' and it describes the geometric structure of the environment. A metric map is typically made up of low-level primitives (like points or voxels). This means that even though it represents the shape of the objects in the robot workspace it lacks the information of which object a surface belongs to. Having an object-level representation of the environment has the advantage of augmenting the set of possible tasks that a robot may accomplish. To this end, in this thesis we focus on two aspects. We propose a formalism to represent in a uniform manner 3D scenes consisting of different geometric primitives, including points, lines and planes. Consequently, we derive a local registration and a global optimization algorithm that can exploit this representation for robust estimation. Furthermore, we present a Semantic Mapping system capable of building an \textit{object-based} map that can be used for complex task planning and execution. Our system exploits effective reconstruction and recognition techniques that require no a-priori information about the environment and can be used under general conditions

GASP : Geometric Association with Surface Patches

A fundamental challenge to sensory processing tasks in perception and robotics is the problem of obtaining data associations across views. We present a robust solution for ascertaining potentially dense surface patch (superpixel) associations, requiring just range information. Our approach involves decomposition of a view into regularized surface patches. We represent them as sequences expressing geometry invariantly over their superpixel neighborhoods, as uniquely consistent partial orderings. We match these representations through an optimal sequence comparison metric based on the Damerau-Levenshtein distance - enabling robust association with quadratic complexity (in contrast to hitherto employed joint matching formulations which are NP-complete). The approach is able to perform under wide baselines, heavy rotations, partial overlaps, significant occlusions and sensor noise. The technique does not require any priors -- motion or otherwise, and does not make restrictive assumptions on scene structure and sensor movement. It does not require appearance -- is hence more widely applicable than appearance reliant methods, and invulnerable to related ambiguities such as textureless or aliased content. We present promising qualitative and quantitative results under diverse settings, along with comparatives with popular approaches based on range as well as RGB-D data.Comment: International Conference on 3D Vision, 201

Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

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