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    Dense Piecewise Planar RGB-D SLAM for Indoor Environments

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    The paper exploits weak Manhattan constraints to parse the structure of indoor environments from RGB-D video sequences in an online setting. We extend the previous approach for single view parsing of indoor scenes to video sequences and formulate the problem of recovering the floor plan of the environment as an optimal labeling problem solved using dynamic programming. The temporal continuity is enforced in a recursive setting, where labeling from previous frames is used as a prior term in the objective function. In addition to recovery of piecewise planar weak Manhattan structure of the extended environment, the orthogonality constraints are also exploited by visual odometry and pose graph optimization. This yields reliable estimates in the presence of large motions and absence of distinctive features to track. We evaluate our method on several challenging indoors sequences demonstrating accurate SLAM and dense mapping of low texture environments. On existing TUM benchmark we achieve competitive results with the alternative approaches which fail in our environments.Comment: International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) 201

    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

    SLAM for Visually Impaired People: A Survey

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    In recent decades, several assistive technologies for visually impaired and blind (VIB) people have been developed to improve their ability to navigate independently and safely. At the same time, simultaneous localization and mapping (SLAM) techniques have become sufficiently robust and efficient to be adopted in the development of assistive technologies. In this paper, we first report the results of an anonymous survey conducted with VIB people to understand their experience and needs; we focus on digital assistive technologies that help them with indoor and outdoor navigation. Then, we present a literature review of assistive technologies based on SLAM. We discuss proposed approaches and indicate their pros and cons. We conclude by presenting future opportunities and challenges in this domain.Comment: 26 pages, 5 tables, 3 figure

    3 Dimensional Dense Reconstruction: A Review of Algorithms and Dataset

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    3D dense reconstruction refers to the process of obtaining the complete shape and texture features of 3D objects from 2D planar images. 3D reconstruction is an important and extensively studied problem, but it is far from being solved. This work systematically introduces classical methods of 3D dense reconstruction based on geometric and optical models, as well as methods based on deep learning. It also introduces datasets for deep learning and the performance and advantages and disadvantages demonstrated by deep learning methods on these datasets.Comment: 16 page

    Unifying terrain awareness for the visually impaired through real-time semantic segmentation.

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    Navigational assistance aims to help visually-impaired people to ambulate the environment safely and independently. This topic becomes challenging as it requires detecting a wide variety of scenes to provide higher level assistive awareness. Vision-based technologies with monocular detectors or depth sensors have sprung up within several years of research. These separate approaches have achieved remarkable results with relatively low processing time and have improved the mobility of impaired people to a large extent. However, running all detectors jointly increases the latency and burdens the computational resources. In this paper, we put forward seizing pixel-wise semantic segmentation to cover navigation-related perception needs in a unified way. This is critical not only for the terrain awareness regarding traversable areas, sidewalks, stairs and water hazards, but also for the avoidance of short-range obstacles, fast-approaching pedestrians and vehicles. The core of our unification proposal is a deep architecture, aimed at attaining efficient semantic understanding. We have integrated the approach in a wearable navigation system by incorporating robust depth segmentation. A comprehensive set of experiments prove the qualified accuracy over state-of-the-art methods while maintaining real-time speed. We also present a closed-loop field test involving real visually-impaired users, demonstrating the effectivity and versatility of the assistive framework

    Depth Estimation Using 2D RGB Images

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    Single image depth estimation is an ill-posed problem. That is, it is not mathematically possible to uniquely estimate the 3rd dimension (or depth) from a single 2D image. Hence, additional constraints need to be incorporated in order to regulate the solution space. As a result, in the first part of this dissertation, the idea of constraining the model for more accurate depth estimation by taking advantage of the similarity between the RGB image and the corresponding depth map at the geometric edges of the 3D scene is explored. Although deep learning based methods are very successful in computer vision and handle noise very well, they suffer from poor generalization when the test and train distributions are not close. While, the geometric methods do not have the generalization problem since they benefit from temporal information in an unsupervised manner. They are sensitive to noise, though. At the same time, explicitly modeling of a dynamic scenes as well as flexible objects in traditional computer vision methods is a big challenge. Considering the advantages and disadvantages of each approach, a hybrid method, which benefits from both, is proposed here by extending traditional geometric models’ abilities to handle flexible and dynamic objects in the scene. This is made possible by relaxing geometric computer vision rules from one motion model for some areas of the scene into one for every pixel in the scene. This enables the model to detect even small, flexible, floating debris in a dynamic scene. However, it makes the optimization under-constrained. To change the optimization from under-constrained to over-constrained while maintaining the model’s flexibility, ”moving object detection loss” and ”synchrony loss” are designed. The algorithm is trained in an unsupervised fashion. The primary results are in no way comparable to the current state of the art. Because the training process is so slow, it is difficult to compare it to the current state of the art. Also, the algorithm lacks stability. In addition, the optical flow model is extremely noisy and naive. At the end, some solutions are suggested to address these issues
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