Fast Multi-frame Stereo Scene Flow with Motion Segmentation

We propose a new multi-frame method for efficiently computing scene flow (dense depth and optical flow) and camera ego-motion for a dynamic scene observed from a moving stereo camera rig. Our technique also segments out moving objects from the rigid scene. In our method, we first estimate the disparity map and the 6-DOF camera motion using stereo matching and visual odometry. We then identify regions inconsistent with the estimated camera motion and compute per-pixel optical flow only at these regions. This flow proposal is fused with the camera motion-based flow proposal using fusion moves to obtain the final optical flow and motion segmentation. This unified framework benefits all four tasks - stereo, optical flow, visual odometry and motion segmentation leading to overall higher accuracy and efficiency. Our method is currently ranked third on the KITTI 2015 scene flow benchmark. Furthermore, our CPU implementation runs in 2-3 seconds per frame which is 1-3 orders of magnitude faster than the top six methods. We also report a thorough evaluation on challenging Sintel sequences with fast camera and object motion, where our method consistently outperforms OSF [Menze and Geiger, 2015], which is currently ranked second on the KITTI benchmark.Comment: 15 pages. To appear at IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR 2017). Our results were submitted to KITTI 2015 Stereo Scene Flow Benchmark in November 201

ORGB: Offset Correction in RGB Color Space for Illumination-Robust Image Processing

Single materials have colors which form straight lines in RGB space. However, in severe shadow cases, those lines do not intersect the origin, which is inconsistent with the description of most literature. This paper is concerned with the detection and correction of the offset between the intersection and origin. First, we analyze the reason for forming that offset via an optical imaging model. Second, we present a simple and effective way to detect and remove the offset. The resulting images, named ORGB, have almost the same appearance as the original RGB images while are more illumination-robust for color space conversion. Besides, image processing using ORGB instead of RGB is free from the interference of shadows. Finally, the proposed offset correction method is applied to road detection task, improving the performance both in quantitative and qualitative evaluations.Comment: Project website: https://baidut.github.io/ORGB

Semantically Guided Depth Upsampling

We present a novel method for accurate and efficient up- sampling of sparse depth data, guided by high-resolution imagery. Our approach goes beyond the use of intensity cues only and additionally exploits object boundary cues through structured edge detection and semantic scene labeling for guidance. Both cues are combined within a geodesic distance measure that allows for boundary-preserving depth in- terpolation while utilizing local context. We model the observed scene structure by locally planar elements and formulate the upsampling task as a global energy minimization problem. Our method determines glob- ally consistent solutions and preserves fine details and sharp depth bound- aries. In our experiments on several public datasets at different levels of application, we demonstrate superior performance of our approach over the state-of-the-art, even for very sparse measurements.Comment: German Conference on Pattern Recognition 2016 (Oral

Pedestrian sensing using time-of-flight range camera

This paper presents a new approach to detect pedestrians using a time-of-flight range camera, for applications in car safety and assistive navigation of the visually impaired. Using 3-D range images not only enables fast and accurate object segmentation and but also provides useful information such as distances to the pedestrians and their probabilities of collision with the user. In the proposed approach, a 3-D range image is first segmented using a modified local variation algorithm. Three state-of-the-art feature extractors (GIST, SIFT, and HOG) are then used to find shape features for each segmented object. Finally, the SVM is applied to classify objects into pedestrian or non-pedestrian. Evaluated on an image data set acquired using a time-of-flight camera, the proposed approach achieves a classification rate of 95.0%

Pseudo-labels for Supervised Learning on Dynamic Vision Sensor Data, Applied to Object Detection under Ego-motion

In recent years, dynamic vision sensors (DVS), also known as event-based cameras or neuromorphic sensors, have seen increased use due to various advantages over conventional frame-based cameras. Using principles inspired by the retina, its high temporal resolution overcomes motion blurring, its high dynamic range overcomes extreme illumination conditions and its low power consumption makes it ideal for embedded systems on platforms such as drones and self-driving cars. However, event-based data sets are scarce and labels are even rarer for tasks such as object detection. We transferred discriminative knowledge from a state-of-the-art frame-based convolutional neural network (CNN) to the event-based modality via intermediate pseudo-labels, which are used as targets for supervised learning. We show, for the first time, event-based car detection under ego-motion in a real environment at 100 frames per second with a test average precision of 40.3% relative to our annotated ground truth. The event-based car detector handles motion blur and poor illumination conditions despite not explicitly trained to do so, and even complements frame-based CNN detectors, suggesting that it has learnt generalized visual representations

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

Terrain Classification from Body-mounted Cameras during Human Locomotion

Abstract—This paper presents a novel algorithm for terrain type classification based on monocular video captured from the viewpoint of human locomotion. A texture-based algorithm is developed to classify the path ahead into multiple groups that can be used to support terrain classification. Gait is taken into account in two ways. Firstly, for key frame selection, when regions with homogeneous texture characteristics are updated, the fre-quency variations of the textured surface are analysed and used to adaptively define filter coefficients. Secondly, it is incorporated in the parameter estimation process where probabilities of path consistency are employed to improve terrain-type estimation. When tested with multiple classes that directly affect mobility a hard surface, a soft surface and an unwalkable area- our proposed method outperforms existing methods by up to 16%, and also provides improved robustness. Index Terms—texture, classification, recursive filter, terrain classification I