View Registration Using Interesting Segments of Planar Trajectories

We introduce a method for recovering the spatial and temporal alignment between two or more views of objects moving over a ground plane. Existing approaches either assume that the streams are globally synchronized, so that only solving the spatial alignment is needed, or that the temporal misalignment is small enough so that exhaustive search can be performed. In contrast, our approach can recover both the spatial and temporal alignment. We compute for each trajectory a number of interesting segments, and we use their description to form putative matches between trajectories. Each pair of corresponding interesting segments induces a temporal alignment, and defines an interval of common support across two views of an object that is used to recover the spatial alignment. Interesting segments and their descriptors are defined using algebraic projective invariants measured along the trajectories. Similarity between interesting segments is computed taking into account the statistics of such invariants. Candidate alignment parameters are verified checking the consistency, in terms of the symmetric transfer error, of all the putative pairs of corresponding interesting segments. Experiments are conducted with two different sets of data, one with two views of an outdoor scene featuring moving people and cars, and one with four views of a laboratory sequence featuring moving radio-controlled cars

Semantic Cross-View Matching

Matching cross-view images is challenging because the appearance and viewpoints are significantly different. While low-level features based on gradient orientations or filter responses can drastically vary with such changes in viewpoint, semantic information of images however shows an invariant characteristic in this respect. Consequently, semantically labeled regions can be used for performing cross-view matching. In this paper, we therefore explore this idea and propose an automatic method for detecting and representing the semantic information of an RGB image with the goal of performing cross-view matching with a (non-RGB) geographic information system (GIS). A segmented image forms the input to our system with segments assigned to semantic concepts such as traffic signs, lakes, roads, foliage, etc. We design a descriptor to robustly capture both, the presence of semantic concepts and the spatial layout of those segments. Pairwise distances between the descriptors extracted from the GIS map and the query image are then used to generate a shortlist of the most promising locations with similar semantic concepts in a consistent spatial layout. An experimental evaluation with challenging query images and a large urban area shows promising results

A distributed optimization framework for localization and formation control: applications to vision-based measurements

Multiagent systems have been a major area of research for the last 15 years. This interest has been motivated by tasks that can be executed more rapidly in a collaborative manner or that are nearly impossible to carry out otherwise. To be effective, the agents need to have the notion of a common goal shared by the entire network (for instance, a desired formation) and individual control laws to realize the goal. The common goal is typically centralized, in the sense that it involves the state of all the agents at the same time. On the other hand, it is often desirable to have individual control laws that are distributed, in the sense that the desired action of an agent depends only on the measurements and states available at the node and at a small number of neighbors. This is an attractive quality because it implies an overall system that is modular and intrinsically more robust to communication delays and node failures

3D Modelling from Real Data

The genesis of a 3D model has basically two definitely different paths. Firstly we can consider the CAD generated models, where the shape is defined according to a user drawing action, operating with different mathematical “bricks” like B-Splines, NURBS or subdivision surfaces (mathematical CAD modelling), or directly drawing small polygonal planar facets in space, approximating with them complex free form shapes (polygonal CAD modelling). This approach can be used for both ideal elements (a project, a fantasy shape in the mind of a designer, a 3D cartoon, etc.) or for real objects. In the latter case the object has to be first surveyed in order to generate a drawing coherent with the real stuff. If the surveying process is not only a rough acquisition of simple distances with a substantial amount of manual drawing, a scene can be modelled in 3D by capturing with a digital instrument many points of its geometrical features and connecting them by polygons to produce a 3D result similar to a polygonal CAD model, with the difference that the shape generated is in this case an accurate 3D acquisition of a real object (reality-based polygonal modelling). Considering only device operating on the ground, 3D capturing techniques for the generation of reality-based 3D models may span from passive sensors and image data (Remondino and El-Hakim, 2006), optical active sensors and range data (Blais, 2004; Shan & Toth, 2008; Vosselman and Maas, 2010), classical surveying (e.g. total stations or Global Navigation Satellite System - GNSS), 2D maps (Yin et al., 2009) or an integration of the aforementioned methods (Stumpfel et al., 2003; Guidi et al., 2003; Beraldin, 2004; Stamos et al., 2008; Guidi et al., 2009a; Remondino et al., 2009; Callieri et al., 2011). The choice depends on the required resolution and accuracy, object dimensions, location constraints, instrument’s portability and usability, surface characteristics, working team experience, project’s budget, final goal, etc. Although aware of the potentialities of the image-based approach and its recent developments in automated and dense image matching for non-expert the easy usability and reliability of optical active sensors in acquiring 3D data is generally a good motivation to decline image-based approaches. Moreover the great advantage of active sensors is the fact that they deliver immediately dense and detailed 3D point clouds, whose coordinate are metrically defined. On the other hand image data require some processing and a mathematical formulation to transform the two-dimensional image measurements into metric three-dimensional coordinates. Image-based modelling techniques (mainly photogrammetry and computer vision) are generally preferred in cases of monuments or architectures with regular geometric shapes, low budget projects, good experience of the working team, time or location constraints for the data acquisition and processing. This chapter is intended as an updated review of reality-based 3D modelling in terrestrial applications, with the different categories of 3D sensing devices and the related data processing pipelines

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multi-camera systems are being deployed in a variety of vehicles and mobile robots today. To eliminate the need for cost and labor intensive maintenance and calibration, continuous self-calibration is highly desirable. In this book we present such an approach for self-calibration of multi-Camera systems for vehicle surround sensing. In an extensive evaluation we assess our algorithm quantitatively using real-world data

External multi-modal imaging sensor calibration for sensor fusion: A review

Multi-modal data fusion has gained popularity due to its diverse applications, leading to an increased demand for external sensor calibration. Despite several proven calibration solutions, they fail to fully satisfy all the evaluation criteria, including accuracy, automation, and robustness. Thus, this review aims to contribute to this growing field by examining recent research on multi-modal imaging sensor calibration and proposing future research directions. The literature review comprehensively explains the various characteristics and conditions of different multi-modal external calibration methods, including traditional motion-based calibration and feature-based calibration. Target-based calibration and targetless calibration are two types of feature-based calibration, which are discussed in detail. Furthermore, the paper highlights systematic calibration as an emerging research direction. Finally, this review concludes crucial factors for evaluating calibration methods and provides a comprehensive discussion on their applications, with the aim of providing valuable insights to guide future research directions. Future research should focus primarily on the capability of online targetless calibration and systematic multi-modal sensor calibration.Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades | Ref. PID2019-108816RB-I0

Low-level Vision by Consensus in a Spatial Hierarchy of Regions

We introduce a multi-scale framework for low-level vision, where the goal is estimating physical scene values from image data---such as depth from stereo image pairs. The framework uses a dense, overlapping set of image regions at multiple scales and a "local model," such as a slanted-plane model for stereo disparity, that is expected to be valid piecewise across the visual field. Estimation is cast as optimization over a dichotomous mixture of variables, simultaneously determining which regions are inliers with respect to the local model (binary variables) and the correct co-ordinates in the local model space for each inlying region (continuous variables). When the regions are organized into a multi-scale hierarchy, optimization can occur in an efficient and parallel architecture, where distributed computational units iteratively perform calculations and share information through sparse connections between parents and children. The framework performs well on a standard benchmark for binocular stereo, and it produces a distributional scene representation that is appropriate for combining with higher-level reasoning and other low-level cues.Comment: Accepted to CVPR 2015. Project page: http://www.ttic.edu/chakrabarti/consensus

Visual Odometry and Sparse Scene Reconstruction for UAVs with a Multi-Fisheye Camera System

Autonomously operating UAVs demand a fast localization for navigation, to actively explore unknown areas and to create maps. For pose estimation, many UAV systems make use of a combination of GPS receivers and inertial sensor units (IMU). However, GPS signal coverage may go down occasionally, especially in the close vicinity of objects, and precise IMUs are too heavy to be carried by lightweight UAVs. This and the high cost of high quality IMU motivate the use of inexpensive vision based sensors for localization using visual odometry or visual SLAM (simultaneous localization and mapping) techniques. The first contribution of this thesis is a more general approach to bundle adjustment with an extended version of the projective coplanarity equation which enables us to make use of omnidirectional multi-camera systems which may consist of fisheye cameras that can capture a large field of view with one shot. We use ray directions as observations instead of image points which is why our approach does not rely on a specific projection model assuming a central projection. In addition, our approach allows the integration and estimation of points at infinity, which classical bundle adjustments are not capable of. We show that the integration of far or infinitely far points stabilizes the estimation of the rotation angles of the camera poses. In its second contribution, we employ this approach to bundle adjustment in a highly integrated system for incremental pose estimation and mapping on light-weight UAVs. Based on the image sequences of a multi-camera system our system makes use of tracked feature points to incrementally build a sparse map and incrementally refines this map using the iSAM2 algorithm. Our system is able to optionally integrate GPS information on the level of carrier phase observations even in underconstrained situations, e.g. if only two satellites are visible, for georeferenced pose estimation. This way, we are able to use all available information in underconstrained GPS situations to keep the mapped 3D model accurate and georeferenced. In its third contribution, we present an approach for re-using existing methods for dense stereo matching with fisheye cameras, which has the advantage that highly optimized existing methods can be applied as a black-box without modifications even with cameras that have field of view of more than 180 deg. We provide a detailed accuracy analysis of the obtained dense stereo results. The accuracy analysis shows the growing uncertainty of observed image points of fisheye cameras due to increasing blur towards the image border. Core of the contribution is a rigorous variance component estimation which allows to estimate the variance of the observed disparities at an image point as a function of the distance of that point to the principal point. We show that this improved stochastic model provides a more realistic prediction of the uncertainty of the triangulated 3D points.Autonom operierende UAVs benötigen eine schnelle Lokalisierung zur Navigation, zur Exploration unbekannter Umgebungen und zur Kartierung. Zur Posenbestimmung verwenden viele UAV-Systeme eine Kombination aus GPS-Empfängern und Inertial-Messeinheiten (IMU). Die Verfügbarkeit von GPS-Signalen ist jedoch nicht überall gewährleistet, insbesondere in der Nähe abschattender Objekte, und präzise IMUs sind für leichtgewichtige UAVs zu schwer. Auch die hohen Kosten qualitativ hochwertiger IMUs motivieren den Einsatz von kostengünstigen bildgebenden Sensoren zur Lokalisierung mittels visueller Odometrie oder SLAM-Techniken zur simultanen Lokalisierung und Kartierung. Im ersten wissenschaftlichen Beitrag dieser Arbeit entwickeln wir einen allgemeineren Ansatz für die Bündelausgleichung mit einem erweiterten Modell für die projektive Kollinearitätsgleichung, sodass auch omnidirektionale Multikamerasysteme verwendet werden können, welche beispielsweise bestehend aus Fisheyekameras mit einer Aufnahme einen großen Sichtbereich abdecken. Durch die Integration von Strahlrichtungen als Beobachtungen ist unser Ansatz nicht von einem kameraspezifischen Abbildungsmodell abhängig solange dieses der Zentralprojektion folgt. Zudem erlaubt unser Ansatz die Integration und Schätzung von unendlich fernen Punkten, was bei klassischen Bündelausgleichungen nicht möglich ist. Wir zeigen, dass durch die Integration weit entfernter und unendlich ferner Punkte die Schätzung der Rotationswinkel der Kameraposen stabilisiert werden kann. Im zweiten Beitrag verwenden wir diesen entwickelten Ansatz zur Bündelausgleichung für ein System zur inkrementellen Posenschätzung und dünnbesetzten Kartierung auf einem leichtgewichtigen UAV. Basierend auf den Bildsequenzen eines Mulitkamerasystems baut unser System mittels verfolgter markanter Bildpunkte inkrementell eine dünnbesetzte Karte auf und verfeinert diese inkrementell mittels des iSAM2-Algorithmus. Unser System ist in der Lage optional auch GPS Informationen auf dem Level von GPS-Trägerphasen zu integrieren, wodurch sogar in unterbestimmten Situation - beispielsweise bei nur zwei verfügbaren Satelliten - diese Informationen zur georeferenzierten Posenschätzung verwendet werden können. Im dritten Beitrag stellen wir einen Ansatz zur Verwendung existierender Methoden für dichtes Stereomatching mit Fisheyekameras vor, sodass hoch optimierte existierende Methoden als Black Box ohne Modifzierungen sogar mit Kameras mit einem Gesichtsfeld von mehr als 180 Grad verwendet werden können. Wir stellen eine detaillierte Genauigkeitsanalyse basierend auf dem Ergebnis des dichten Stereomatchings dar. Die Genauigkeitsanalyse zeigt, wie stark die Genauigkeit beobachteter Bildpunkte bei Fisheyekameras zum Bildrand aufgrund von zunehmender Unschärfe abnimmt. Das Kernstück dieses Beitrags ist eine Varianzkomponentenschätzung, welche die Schätzung der Varianz der beobachteten Disparitäten an einem Bildpunkt als Funktion von der Distanz dieses Punktes zum Hauptpunkt des Bildes ermöglicht. Wir zeigen, dass dieses verbesserte stochastische Modell eine realistischere Prädiktion der Genauigkeiten der 3D Punkte ermöglicht

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multikamerasysteme werden heute bereits in einer Vielzahl von Fahrzeugen und mobilen Robotern eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von einfachen Assistenzfunktionen wie der Erzeugung einer virtuellen Rundumsicht bis hin zur Umfelderfassung, wie sie für teil- und vollautomatisches Fahren benötigt wird. Damit aus den Kamerabildern metrische Größen wie Distanzen und Winkel abgeleitet werden können und ein konsistentes Umfeldmodell aufgebaut werden kann, muss das Abbildungsverhalten der einzelnen Kameras sowie deren relative Lage zueinander bekannt sein. Insbesondere die Bestimmung der relativen Lage der Kameras zueinander, die durch die extrinsische Kalibrierung beschrieben wird, ist aufwendig, da sie nur im Gesamtverbund erfolgen kann. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass es über die Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg zu nicht vernachlässigbaren Veränderungen durch äußere Einflüsse kommt. Um den hohen Zeit- und Kostenaufwand einer regelmäßigen Wartung zu vermeiden, ist ein Selbstkalibrierungsverfahren erforderlich, das die extrinsischen Kalibrierparameter fortlaufend nachschätzt. Für die Selbstkalibrierung wird typischerweise das Vorhandensein überlappender Sichtbereiche ausgenutzt, um die extrinsische Kalibrierung auf der Basis von Bildkorrespondenzen zu schätzen. Falls die Sichtbereiche mehrerer Kameras jedoch nicht überlappen, lassen sich die Kalibrierparameter auch aus den relativen Bewegungen ableiten, die die einzelnen Kameras beobachten. Die Bewegung typischer Straßenfahrzeuge lässt dabei jedoch nicht die Bestimmung aller Kalibrierparameter zu. Um die vollständige Schätzung der Parameter zu ermöglichen, lassen sich weitere Bedingungsgleichungen, die sich z.B. aus der Beobachtung der Bodenebene ergeben, einbinden. In dieser Arbeit wird dazu in einer theoretischen Analyse gezeigt, welche Parameter sich aus der Kombination verschiedener Bedingungsgleichungen eindeutig bestimmen lassen. Um das Umfeld eines Fahrzeugs vollständig erfassen zu können, werden typischerweise Objektive, wie zum Beispiel Fischaugenobjektive, eingesetzt, die einen sehr großen Bildwinkel ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung von Bildkorrespondenzen vorgeschlagen, das die geometrischen Verzerrungen, die sich durch die Verwendung von Fischaugenobjektiven und sich stark ändernden Ansichten ergeben, berücksichtigt. Darauf aufbauend stellen wir ein robustes Verfahren zur Nachführung der Parameter der Bodenebene vor. Basierend auf der theoretischen Analyse der Beobachtbarkeit und den vorgestellten Verfahren stellen wir ein robustes, rekursives Kalibrierverfahren vor, das auf einem erweiterten Kalman-Filter aufbaut. Das vorgestellte Kalibrierverfahren zeichnet sich insbesondere durch die geringe Anzahl von internen Parametern, sowie durch die hohe Flexibilität hinsichtlich der einbezogenen Bedingungsgleichungen aus und basiert einzig auf den Bilddaten des Multikamerasystems. In einer umfangreichen experimentellen Auswertung mit realen Daten vergleichen wir die Ergebnisse der auf unterschiedlichen Bedingungsgleichungen und Bewegungsmodellen basierenden Verfahren mit den aus einer Referenzkalibrierung bestimmten Parametern. Die besten Ergebnisse wurden dabei durch die Kombination aller vorgestellten Bedingungsgleichungen erzielt. Anhand mehrerer Beispiele zeigen wir, dass die erreichte Genauigkeit ausreichend für eine Vielzahl von Anwendungen ist