Real-Time Accurate Visual SLAM with Place Recognition

El problema de localización y construcción simultánea de mapas (del inglés Simultaneous Localization and Mapping, abreviado SLAM) consiste en localizar un sensor en un mapa que se construye en línea. La tecnología de SLAM hace posible la localización de un robot en un entorno desconocido para él, procesando la información de sus sensores de a bordo y por tanto sin depender de infraestructuras externas. Un mapa permite localizarse en todo momento sin acumular deriva, a diferencia de una odometría donde se integran movimientos incrementales. Este tipo de tecnología es crítica para la navegación de robots de servicio y vehículos autónomos, o para la localización del usuario en aplicaciones de realidad aumentada o virtual. La principal contribución de esta tesis es ORB-SLAM, un sistema de SLAM monocular basado en características que trabaja en tiempo real en ambientes pequeños y grandes, de interior y exterior. El sistema es robusto a elementos dinámicos en la escena, permite cerrar bucles y relocalizar la cámara incluso si el punto de vista ha cambiado significativamente, e incluye un método de inicialización completamente automático. ORB-SLAM es actualmente la solución más completa, precisa y fiable de SLAM monocular empleando una cámara como único sensor. El sistema, estando basado en características y ajuste de haces, ha demostrado una precisión y robustez sin precedentes en secuencias públicas estándar.Adicionalmente se ha extendido ORB-SLAM para reconstruir el entorno de forma semi-densa. Nuestra solución desacopla la reconstrucción semi-densa de la estimación de la trayectoria de la cámara, lo que resulta en un sistema que combina la precisión y robustez del SLAM basado en características con las reconstrucciones más completas de los métodos directos. Además se ha extendido la solución monocular para aprovechar la información de cámaras estéreo, RGB-D y sensores inerciales, obteniendo precisiones superiores a otras soluciones del estado del arte. Con el fin de contribuir a la comunidad científica, hemos hecho libre el código de una implementación de nuestra solución de SLAM para cámaras monoculares, estéreo y RGB-D, siendo la primera solución de código libre capaz de funcionar con estos tres tipos de cámara. Bibliografía:R. Mur-Artal and J. D. Tardós.Fast Relocalisation and Loop Closing in Keyframe-Based SLAM.IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Hong Kong, China, June 2014.R. Mur-Artal and J. D. Tardós.ORB-SLAM: Tracking and Mapping Recognizable Features.RSS Workshop on Multi VIew Geometry in RObotics (MVIGRO). Berkeley, USA, July 2014. R. Mur-Artal and J. D. Tardós.Probabilistic Semi-Dense Mapping from Highly Accurate Feature-Based Monocular SLAM.Robotics: Science and Systems (RSS). Rome, Italy, July 2015.R. Mur-Artal, J. M. M. Montiel and J. D. Tardós.ORB-SLAM: A Versatile and Accurate Monocular SLAM System.IEEE Transactions on Robotics, vol. 31, no. 5, pp. 1147-1163, October 2015.(2015 IEEE Transactions on Robotics Best Paper Award).R. Mur-Artal, and J. D. Tardós.Visual-Inertial Monocular SLAM with Map Reuse.IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 2, no. 2, pp. 796-803, April 2017. (to be presented at ICRA 17).R.Mur-Artal, and J. D. Tardós. ORB-SLAM2: an Open-Source SLAM System for Monocular, Stereo and RGB-D Cameras.ArXiv preprint arXiv:1610.06475, 2016. (under Review).<br /

Real-Time RGB-D Camera Pose Estimation in Novel Scenes using a Relocalisation Cascade

Camera pose estimation is an important problem in computer vision. Common techniques either match the current image against keyframes with known poses, directly regress the pose, or establish correspondences between keypoints in the image and points in the scene to estimate the pose. In recent years, regression forests have become a popular alternative to establish such correspondences. They achieve accurate results, but have traditionally needed to be trained offline on the target scene, preventing relocalisation in new environments. Recently, we showed how to circumvent this limitation by adapting a pre-trained forest to a new scene on the fly. The adapted forests achieved relocalisation performance that was on par with that of offline forests, and our approach was able to estimate the camera pose in close to real time. In this paper, we present an extension of this work that achieves significantly better relocalisation performance whilst running fully in real time. To achieve this, we make several changes to the original approach: (i) instead of accepting the camera pose hypothesis without question, we make it possible to score the final few hypotheses using a geometric approach and select the most promising; (ii) we chain several instantiations of our relocaliser together in a cascade, allowing us to try faster but less accurate relocalisation first, only falling back to slower, more accurate relocalisation as necessary; and (iii) we tune the parameters of our cascade to achieve effective overall performance. These changes allow us to significantly improve upon the performance our original state-of-the-art method was able to achieve on the well-known 7-Scenes and Stanford 4 Scenes benchmarks. As additional contributions, we present a way of visualising the internal behaviour of our forests and show how to entirely circumvent the need to pre-train a forest on a generic scene.Comment: Tommaso Cavallari, Stuart Golodetz, Nicholas Lord and Julien Valentin assert joint first authorshi

Robust and affordable localization and mapping for 3D reconstruction. Application to architecture and construction

La localización y mapeado simultáneo a partir de una sola cámara en movimiento se conoce como Monocular SLAM. En esta tesis se aborda este problema con cámaras de bajo coste cuyo principal reto consiste en ser robustos al ruido, blurring y otros artefactos que afectan a la imagen. La aproximación al problema es discreta, utilizando solo puntos de la imagen significativos para localizar la cámara y mapear el entorno. La principal contribución es una simplificación del grafo de poses que permite mejorar la precisión en las escenas más habituales, evaluada de forma exhaustiva en 4 datasets. Los resultados del mapeado permiten obtener una reconstrucción 3D de la escena que puede ser utilizada en arquitectura y construcción para Modelar la Información del Edificio (BIM). En la segunda parte de la tesis proponemos incorporar dicha información en un sistema de visualización avanzada usando WebGL que ayude a simplificar la implantación de la metodología BIM.Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos)Doctorado en Informátic

Monocular slam for deformable scenarios.

El problema de localizar la posición de un sensor en un mapa incierto que se estima simultáneamente se conoce como Localización y Mapeo Simultáneo --SLAM--. Es un problema desafiante comparable al paradigma del huevo y la gallina. Para ubicar el sensor necesitamos conocer el mapa, pero para construir el mapa, necesitamos la posición del sensor. Cuando se utiliza un sensor visual, por ejemplo, una cámara, se denomina Visual SLAM o VSLAM. Los sensores visuales para SLAM se dividen entre los que proporcionan información de profundidad (por ejemplo, cámaras RGB-D o equipos estéreo) y los que no (por ejemplo, cámaras monoculares o cámaras de eventos). En esta tesis hemos centrado nuestra investigación en SLAM con cámaras monoculares.Debido a la falta de percepción de profundidad, el SLAM monocular es intrínsecamente más duro en comparación con el SLAM con sensores de profundidad. Los trabajos estado del arte en VSLAM monocular han asumido normalmente que la escena permanece rígida durante toda la secuencia, lo que es una suposición factible para entornos industriales y urbanos. El supuesto de rigidez aporta las restricciones suficientes al problema y permite reconstruir un mapa fiable tras procesar varias imágenes. En los últimos años, el interés por el SLAM ha llegado a las áreas médicas donde los algoritmos SLAM podrían ayudar a orientar al cirujano o localizar la posición de un robot. Sin embargo, a diferencia de los escenarios industriales o urbanos, en secuencias dentro del cuerpo, todo puede deformarse eventualmente y la suposición de rigidez acaba siendo inválida en la práctica, y por extensión, también los algoritmos de SLAM monoculares. Por lo tanto, nuestro objetivo es ampliar los límites de los algoritmos de SLAM y concebir el primer sistema SLAM monocular capaz de hacer frente a la deformación de la escena.Los sistemas de SLAM actuales calculan la posición de la cámara y la estructura del mapa en dos subprocesos concurrentes: la localización y el mapeo. La localización se encarga de procesar cada imagen para ubicar el sensor de forma continua, en cambio el mapeo se encarga de construir el mapa de la escena. Nosotros hemos adoptado esta estructura y concebimos tanto la localización deformable como el mapeo deformable ahora capaces de recuperar la escena incluso con deformación.Nuestra primera contribución es la localización deformable. La localización deformable utiliza la estructura del mapa para recuperar la pose de la cámara con una única imagen. Simultáneamente, a medida que el mapa se deforma durante la secuencia, también recupera la deformación del mapa para cada fotograma. Hemos propuesto dos familias de localización deformable. En el primer algoritmo de localización deformable, asumimos que todos los puntos están embebidos en una superficie denominada plantilla. Podemos recuperar la deformación de la superficie gracias a un modelo de deformación global que permite estimar la deformación más probable del objeto. Con nuestro segundo algoritmo de localización deformable, demostramos que es posible recuperar la deformación del mapa sin un modelo de deformación global, representando el mapa como surfels individuales. Nuestros resultados experimentales mostraron que, recuperando la deformación del mapa, ambos métodos superan tanto en robustez como en precisión a los métodos rígidos.Nuestra segunda contribución es la concepción del mapeo deformable. Es el back-end del algoritmo SLAM y procesa un lote de imágenes para recuperar la estructura del mapa para todas las imágenes y hacer crecer el mapa ensamblando las observaciones parciales del mismo. Tanto la localización deformable como el mapeo que se ejecutan en paralelo y juntos ensamblan el primer SLAM monocular deformable: \emph{DefSLAM}. Una evaluación ampliada de nuestro método demostró, tanto en secuencias controladas por laboratorio como en secuencias médicas, que nuestro método procesa con éxito secuencias en las que falla el sistema monocular SLAM actual.Nuestra tercera contribución son dos métodos para explotar la información fotométrica en SLAM monocular deformable. Por un lado, SD-DefSLAM que aprovecha el emparejamiento semi-directo para obtener un emparejamiento mucho más fiable de los puntos del mapa en las nuevas imágenes, como consecuencia, se demostró que es más robusto y estable en secuencias médicas. Por otro lado, proponemos un método de Localización Deformable Directa y Dispersa en el que usamos un error fotométrico directo para rastrear la deformación de un mapa modelado como un conjunto de surfels 3D desconectados. Podemos recuperar la deformación de múltiples superficies desconectadas, deformaciones no isométricas o superficies con una topología cambiante.<br /