Polylidar3D -- Fast Polygon Extraction from 3D Data

Flat surfaces captured by 3D point clouds are often used for localization, mapping, and modeling. Dense point cloud processing has high computation and memory costs making low-dimensional representations of flat surfaces such as polygons desirable. We present Polylidar3D, a non-convex polygon extraction algorithm which takes as input unorganized 3D point clouds (e.g., LiDAR data), organized point clouds (e.g., range images), or user-provided meshes. Non-convex polygons represent flat surfaces in an environment with interior cutouts representing obstacles or holes. The Polylidar3D front-end transforms input data into a half-edge triangular mesh. This representation provides a common level of input data abstraction for subsequent back-end processing. The Polylidar3D back-end is composed of four core algorithms: mesh smoothing, dominant plane normal estimation, planar segment extraction, and finally polygon extraction. Polylidar3D is shown to be quite fast, making use of CPU multi-threading and GPU acceleration when available. We demonstrate Polylidar3D's versatility and speed with real-world datasets including aerial LiDAR point clouds for rooftop mapping, autonomous driving LiDAR point clouds for road surface detection, and RGBD cameras for indoor floor/wall detection. We also evaluate Polylidar3D on a challenging planar segmentation benchmark dataset. Results consistently show excellent speed and accuracy.Comment: 40 page

Correction of Errors in Time of Flight Cameras

En esta tesis se aborda la corrección de errores en cámaras de profundidad basadas en tiempo de vuelo (Time of Flight - ToF). De entre las más recientes tecnologías, las cámaras ToF de modulación continua (Continuous Wave Modulation - CWM) son una alternativa prometedora para la creación de sensores compactos y rápidos. Sin embargo, existen gran variedad de errores que afectan notablemente la medida de profundidad, poniendo en compromiso posibles aplicaciones. La corrección de dichos errores propone un reto desafiante. Actualmente, se consideran dos fuentes principales de error: i) sistemático y ii) no sistemático. Mientras que el primero admite calibración, el último depende de la geometría y el movimiento relativo de la escena. Esta tesis propone métodos que abordan i) la distorsión sistemática de profundidad y dos de las fuentes de error no sistemático más relevantes: ii.a) la interferencia por multicamino (Multipath Interference - MpI) y ii.b) los artefactos de movimiento. La distorsión sistemática de profundidad en cámaras ToF surge principalmente debido al uso de señales sinusoidales no perfectas para modular. Como resultado, las medidas de profundidad aparecen distorsionadas, pudiendo ser reducidas con una etapa de calibración. Esta tesis propone un método de calibración basado en mostrar a la cámara un plano en diferentes posiciones y orientaciones. Este método no requiere de patrones de calibración y, por tanto, puede emplear los planos, que de manera natural, aparecen en la escena. El método propuesto encuentra una función que obtiene la corrección de profundidad correspondiente a cada píxel. Esta tesis mejora los métodos existentes en cuanto a precisión, eficiencia e idoneidad. La interferencia por multicamino surge debido a la superposición de la señal reflejada por diferentes caminos con la reflexión directa, produciendo distorsiones que se hacen más notables en superficies convexas. La MpI es la causa de importantes errores en la estimación de profundidad en cámaras CWM ToF. Esta tesis propone un método que elimina la MpI a partir de un solo mapa de profundidad. El enfoque propuesto no requiere más información acerca de la escena que las medidas ToF. El método se fundamenta en un modelo radio-métrico de las medidas que se emplea para estimar de manera muy precisa el mapa de profundidad sin distorsión. Una de las tecnologías líderes para la obtención de profundidad en imagen ToF está basada en Photonic Mixer Device (PMD), la cual obtiene la profundidad mediante el muestreado secuencial de la correlación entre la señal de modulación y la señal proveniente de la escena en diferentes desplazamientos de fase. Con movimiento, los píxeles PMD capturan profundidades diferentes en cada etapa de muestreo, produciendo artefactos de movimiento. El método propuesto en esta tesis para la corrección de dichos artefactos destaca por su velocidad y sencillez, pudiendo ser incluido fácilmente en el hardware de la cámara. La profundidad de cada píxel se recupera gracias a la consistencia entre las muestras de correlación en el píxel PMD y de la vecindad local. Este método obtiene correcciones precisas, reduciendo los artefactos de movimiento enormemente. Además, como resultado de este método, puede obtenerse el flujo óptico en los contornos en movimiento a partir de una sola captura. A pesar de ser una alternativa muy prometedora para la obtención de profundidad, las cámaras ToF todavía tienen que resolver problemas desafiantes en relación a la corrección de errores sistemáticos y no sistemáticos. Esta tesis propone métodos eficaces para enfrentarse con estos errores

Planar Shape Detection and Regularization in Tandem

International audienceWe present a method for planar shape detection and regularization from raw point sets. The geometric modeling and processing of man-made environments from measurement data often relies upon robust detection of planar primitive shapes. In addition, the detection and reinforcement of regularities between planar parts is a means to increase resilience to missing or defect-laden data as well as to reduce the complexity of models and algorithms down the modeling pipeline. The main novelty behind our method is to perform detection and regularization in tandem. We first sample a sparse set of seeds uniformly on the input point set, then perform in parallel shape detection through region growing, interleaved with regularization through detection and reinforcement of regular relationships (coplanar, parallel and orthogonal). In addition to addressing the end goal of regularization, such reinforcement also improves data fitting and provides guidance for clustering small parts into larger planar parts. We evaluate our approach against a wide range of inputs and under four criteria: geometric fidelity, coverage, regularity and running times. Our approach compares well with available implementations such as the efficient RANSAC-based approach proposed by Schnabel and co-authors in 2007

Correction of Errors in Time of Flight Cameras

En esta tesis se aborda la corrección de errores en cámaras de profundidad basadas en tiempo de vuelo (Time of Flight - ToF). De entre las más recientes tecnologías, las cámaras ToF de modulación continua (Continuous Wave Modulation - CWM) son una alternativa prometedora para la creación de sensores compactos y rápidos. Sin embargo, existen gran variedad de errores que afectan notablemente la medida de profundidad, poniendo en compromiso posibles aplicaciones. La corrección de dichos errores propone un reto desafiante. Actualmente, se consideran dos fuentes principales de error: i) sistemático y ii) no sistemático. Mientras que el primero admite calibración, el último depende de la geometría y el movimiento relativo de la escena. Esta tesis propone métodos que abordan i) la distorsión sistemática de profundidad y dos de las fuentes de error no sistemático más relevantes: ii.a) la interferencia por multicamino (Multipath Interference - MpI) y ii.b) los artefactos de movimiento. La distorsión sistemática de profundidad en cámaras ToF surge principalmente debido al uso de señales sinusoidales no perfectas para modular. Como resultado, las medidas de profundidad aparecen distorsionadas, pudiendo ser reducidas con una etapa de calibración. Esta tesis propone un método de calibración basado en mostrar a la cámara un plano en diferentes posiciones y orientaciones. Este método no requiere de patrones de calibración y, por tanto, puede emplear los planos, que de manera natural, aparecen en la escena. El método propuesto encuentra una función que obtiene la corrección de profundidad correspondiente a cada píxel. Esta tesis mejora los métodos existentes en cuanto a precisión, eficiencia e idoneidad. La interferencia por multicamino surge debido a la superposición de la señal reflejada por diferentes caminos con la reflexión directa, produciendo distorsiones que se hacen más notables en superficies convexas. La MpI es la causa de importantes errores en la estimación de profundidad en cámaras CWM ToF. Esta tesis propone un método que elimina la MpI a partir de un solo mapa de profundidad. El enfoque propuesto no requiere más información acerca de la escena que las medidas ToF. El método se fundamenta en un modelo radio-métrico de las medidas que se emplea para estimar de manera muy precisa el mapa de profundidad sin distorsión. Una de las tecnologías líderes para la obtención de profundidad en imagen ToF está basada en Photonic Mixer Device (PMD), la cual obtiene la profundidad mediante el muestreado secuencial de la correlación entre la señal de modulación y la señal proveniente de la escena en diferentes desplazamientos de fase. Con movimiento, los píxeles PMD capturan profundidades diferentes en cada etapa de muestreo, produciendo artefactos de movimiento. El método propuesto en esta tesis para la corrección de dichos artefactos destaca por su velocidad y sencillez, pudiendo ser incluido fácilmente en el hardware de la cámara. La profundidad de cada píxel se recupera gracias a la consistencia entre las muestras de correlación en el píxel PMD y de la vecindad local. Este método obtiene correcciones precisas, reduciendo los artefactos de movimiento enormemente. Además, como resultado de este método, puede obtenerse el flujo óptico en los contornos en movimiento a partir de una sola captura. A pesar de ser una alternativa muy prometedora para la obtención de profundidad, las cámaras ToF todavía tienen que resolver problemas desafiantes en relación a la corrección de errores sistemáticos y no sistemáticos. Esta tesis propone métodos eficaces para enfrentarse con estos errores

Efficient search and comparison algorithms for 3D protein binding site retrieval and structure alignment from large-scale databases

Finding similar 3D structures is crucial for discovering potential structural, evolutionary, and functional relationships among proteins. As the number of known protein structures has dramatically increased, traditional methods can no longer provide the life science community with the adequate informatics capability needed to conduct large-scale and complex analyses. A suite of high-throughput and accurate protein structure search and comparison methods is essential. To meet the needs of the community, we develop several bioinformatics methods for protein binding site comparison and global structure alignment. First, we developed an efficient protein binding site search that is based on extracting geometric features both locally and globally. The main idea of this work was to capture spatial relationships among landmarks of binding site surfaces and bfuild a vocabulary of visual words to represent the characteristics of the surfaces. A vector model was then used to speed up the search of similar surfaces that share similar visual words with the query interface. Second, we developed an approach for accurate protein binding site comparison. Our algorithm provides an accurate binding site alignment by applying a two-level heuristic process which progressively refines alignment results from coarse surface point level to accurate residue atom level. This setting allowed us to explore different combinations of pairs of corresponding residues, thus improving the alignment quality of the binding site surfaces. Finally, we introduced a parallel algorithm for global protein structure alignment. Specifically, to speed up the time-consuming structure alignment process of protein 3D structures, we designed a parallel protein structure alignment framework to exploit the parallelism of Graphics Processing Units (GPUs). As a general-purpose GPU platform, the framework is capable of parallelizing traditional structure alignment algorithms. Our findings can be applied in various research areas, such as prediction of protein inte

3D RECONSTRUCTION FROM STEREO/RANGE IMAGES

3D reconstruction from stereo/range image is one of the most fundamental and extensively researched topics in computer vision. Stereo research has recently experienced somewhat of a new era, as a result of publically available performance testing such as the Middlebury data set, which has allowed researchers to compare their algorithms against all the state-of-the-art algorithms. This thesis investigates into the general stereo problems in both the two-view stereo and multi-view stereo scopes. In the two-view stereo scope, we formulate an algorithm for the stereo matching problem with careful handling of disparity, discontinuity and occlusion. The algorithm works with a global matching stereo model based on an energy minimization framework. The experimental results are evaluated on the Middlebury data set, showing that our algorithm is the top performer. A GPU approach of the Hierarchical BP algorithm is then proposed, which provides similar stereo quality to CPU Hierarchical BP while running at real-time speed. A fast-converging BP is also proposed to solve the slow convergence problem of general BP algorithms. Besides two-view stereo, ecient multi-view stereo for large scale urban reconstruction is carefully studied in this thesis. A novel approach for computing depth maps given urban imagery where often large parts of surfaces are weakly textured is presented. Finally, a new post-processing step to enhance the range images in both the both the spatial resolution and depth precision is proposed