Multi Cost Function Fuzzy Stereo Matching Algorithm for Object Detection and Robot Motion Control

Stereo matching algorithms work with multiple images of a scene, taken from two viewpoints, to generate depth information. Authors usually use a single matching function to generate similarity between corresponding regions in the images. In the present research, the authors have considered a combination of multiple data costs for disparity generation. Disparity maps generated from stereo images tend to have noisy sections. The presented research work is related to a methodology to refine such disparity maps such that they can be further processed to detect obstacle regions.  A novel entropy based selective refinement (ESR) technique is proposed to refine the initial disparity map. The information from both the left disparity and right disparity maps are used for this refinement technique. For every disparity map, block wise entropy is calculated. The average entropy values of the corresponding positions in the disparity maps are compared. If the variation between these entropy values exceeds a threshold, then the corresponding disparity value is replaced with the mean disparity of the block with lower entropy. The results of this refinement are compared with similar methods and was observed to be better. Furthermore, in this research work, the v-disparity values are used to highlight the road surface in the disparity map. The regions belonging to the sky are removed through HSV based segmentation. The remaining regions which are our ROIs, are refined through a u-disparity area-based technique.  Based on this, the closest obstacles are detected through the use of k-means segmentation.  The segmented regions are further refined through a u-disparity image information-based technique and used as masks to highlight obstacle regions in the disparity maps. This information is used in conjunction with a kalman filter based path planning algorithm to guide a mobile robot from a source location to a destination location while also avoiding any obstacle detected in its path. A stereo camera setup was built and the performance of the algorithm on local real-life images, captured through the cameras, was observed. The evaluation of the proposed methodologies was carried out using real life out door images obtained from KITTI dataset and images with radiometric variations from Middlebury stereo dataset

Visual 3-D SLAM from UAVs

The aim of the paper is to present, test and discuss the implementation of Visual SLAM techniques to images taken from Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) outdoors, in partially structured environments. Every issue of the whole process is discussed in order to obtain more accurate localization and mapping from UAVs flights. Firstly, the issues related to the visual features of objects in the scene, their distance to the UAV, and the related image acquisition system and their calibration are evaluated for improving the whole process. Other important, considered issues are related to the image processing techniques, such as interest point detection, the matching procedure and the scaling factor. The whole system has been tested using the COLIBRI mini UAV in partially structured environments. The results that have been obtained for localization, tested against the GPS information of the flights, show that Visual SLAM delivers reliable localization and mapping that makes it suitable for some outdoors applications when flying UAVs

Simultaneous localization and map-building using active vision

An active approach to sensing can provide the focused measurement capability over a wide field of view which allows correctly formulated Simultaneous Localization and Map-Building (SLAM) to be implemented with vision, permitting repeatable long-term localization using only naturally occurring, automatically-detected features. In this paper, we present the first example of a general system for autonomous localization using active vision, enabled here by a high-performance stereo head, addressing such issues as uncertainty-based measurement selection, automatic map-maintenance, and goal-directed steering. We present varied real-time experiments in a complex environment.Published versio

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

No abstract available

Large-area visually augmented navigation for autonomous underwater vehicles

Submitted to the Joint Program in Applied Ocean Science & Engineering in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy at the Massachusetts Institute of Technology and the Woods Hole Oceanographic Institution June 2005This thesis describes a vision-based, large-area, simultaneous localization and mapping (SLAM) algorithm that respects the low-overlap imagery constraints typical of autonomous underwater vehicles (AUVs) while exploiting the inertial sensor information that is routinely available on such platforms. We adopt a systems-level approach exploiting the complementary aspects of inertial sensing and visual perception from a calibrated pose-instrumented platform. This systems-level strategy yields a robust solution to underwater imaging that overcomes many of the unique challenges of a marine environment (e.g., unstructured terrain, low-overlap imagery, moving light source). Our large-area SLAM algorithm recursively incorporates relative-pose constraints using a view-based representation that exploits exact sparsity in the Gaussian canonical form. This sparsity allows for efficient O(n) update complexity in the number of images composing the view-based map by utilizing recent multilevel relaxation techniques. We show that our algorithmic formulation is inherently sparse unlike other feature-based canonical SLAM algorithms, which impose sparseness via pruning approximations. In particular, we investigate the sparsification methodology employed by sparse extended information filters (SEIFs) and offer new insight as to why, and how, its approximation can lead to inconsistencies in the estimated state errors. Lastly, we present a novel algorithm for efficiently extracting consistent marginal covariances useful for data association from the information matrix. In summary, this thesis advances the current state-of-the-art in underwater visual navigation by demonstrating end-to-end automatic processing of the largest visually navigated dataset to date using data collected from a survey of the RMS Titanic (path length over 3 km and 3100 m2 of mapped area). This accomplishment embodies the summed contributions of this thesis to several current SLAM research issues including scalability, 6 degree of freedom motion, unstructured environments, and visual perception.This work was funded in part by the CenSSIS ERC of the National Science Foundation under grant EEC-9986821, in part by the Woods Hole Oceanographic Institution through a grant from the Penzance Foundation, and in part by a NDSEG Fellowship awarded through the Department of Defense

Topological place recognition for life-long visual localization

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2016-2017La navegación de vehículos inteligentes o robots móviles en períodos largos de tiempo ha experimentado un gran interés por parte de la comunidad investigadora en los últimos años. Los sistemas basados en cámaras se han extendido ampliamente en el pasado reciente gracias a las mejoras en sus características, precio y reducción de tamaño, añadidos a los progresos en técnicas de visión artificial. Por ello, la localización basada en visión es una aspecto clave para desarrollar una navegación autónoma robusta en situaciones a largo plazo. Teniendo en cuenta esto, la identificación de localizaciones por medio de técnicas de reconocimiento de lugar topológicas puede ser complementaria a otros enfoques como son las soluciones basadas en el Global Positioning System (GPS), o incluso suplementaria cuando la señal GPS no está disponible.El estado del arte en reconocimiento de lugar topológico ha mostrado un funcionamiento satisfactorio en el corto plazo. Sin embargo, la localización visual a largo plazo es problemática debido a los grandes cambios de apariencia que un lugar sufre como consecuencia de elementos dinámicos, la iluminación o la climatología, entre otros. El objetivo de esta tesis es enfrentarse a las dificultades de llevar a cabo una localización topológica eficiente y robusta a lo largo del tiempo. En consecuencia, se van a contribuir dos nuevos enfoques basados en reconocimiento visual de lugar para resolver los diferentes problemas asociados a una localización visual a largo plazo. Por un lado, un método de reconocimiento de lugar visual basado en descriptores binarios es propuesto. La innovación de este enfoque reside en la descripción global de secuencias de imágenes como códigos binarios, que son extraídos mediante un descriptor basado en la técnica denominada Local Difference Binary (LDB). Los descriptores son eficientemente asociados usando la distancia de Hamming y un método de búsqueda conocido como Approximate Nearest Neighbors (ANN). Además, una técnica de iluminación invariante es aplicada para mejorar el funcionamiento en condiciones luminosas cambiantes. El empleo de la descripción binaria previamente introducida proporciona una reducción de los costes computacionales y de memoria.Por otro lado, también se presenta un método de reconocimiento de lugar visual basado en deep learning, en el cual los descriptores aplicados son procesados por una Convolutional Neural Network (CNN). Este es un concepto recientemente popularizado en visión artificial que ha obtenido resultados impresionantes en problemas de clasificación de imagen. La novedad de nuestro enfoque reside en la fusión de la información de imagen de múltiples capas convolucionales a varios niveles y granularidades. Además, los datos redundantes de los descriptores basados en CNNs son comprimidos en un número reducido de bits para una localización más eficiente. El descriptor final es condensado aplicando técnicas de compresión y binarización para realizar una asociación usando de nuevo la distancia de Hamming. En términos generales, los métodos centrados en CNNs mejoran la precisión generando representaciones visuales de las localizaciones más detalladas, pero son más costosos en términos de computación.Ambos enfoques de reconocimiento de lugar visual son extensamente evaluados sobre varios datasets públicos. Estas pruebas arrojan una precisión satisfactoria en situaciones a largo plazo, como es corroborado por los resultados mostrados, que comparan nuestros métodos contra los principales algoritmos del estado del arte, mostrando mejores resultados para todos los casos.Además, también se ha analizado la aplicabilidad de nuestro reconocimiento de lugar topológico en diferentes problemas de localización. Estas aplicaciones incluyen la detección de cierres de lazo basada en los lugares reconocidos o la corrección de la deriva acumulada en odometría visual usando la información proporcionada por los cierres de lazo. Asimismo, también se consideran las aplicaciones de la detección de cambios geométricos a lo largo de las estaciones del año, que son esenciales para las actualizaciones de los mapas en sistemas de conducción autónomos centrados en una operación a largo plazo. Todas estas contribuciones son discutidas al final de la tesis, incluyendo varias conclusiones sobre el trabajo presentado y líneas de investigación futuras