Panoramic Stereovision and Scene Reconstruction

With advancement of research in robotics and computer vision, an increasingly high number of applications require the understanding of a scene in three dimensions. A variety of systems are deployed to do the same. This thesis explores a novel 3D imaging technique. This involves the use of catadioptric cameras in a stereoscopic arrangement. A secondary system aims to stabilize the system in the event that the cameras are misaligned during operation. The system provides a stark advantage due to it being a cost effective alternative to present day standard state-of-the-art systems that achieve the same goal of 3D imaging. The compromise lies in the quality of depth estimation, which can be overcome with a different imager and calibration. The result was a panoramic disparity map generated by the system

Capturing Panoramic Depth Images with a Single Standard Camera

In this paper we present a panoramic depth imaging system. The system is mosaic-based which means that we use a single rotating camera and assemble the captured images in a mosaic. Due to a setoff of the camera’s optical center from the rotational center of the system we are able to capture the motion parallax effect which enables the stereo reconstruction. The camera is rotating on a circular path with the step defined by an angle equivalent to one column of the captured image. The equation for depth estimation can be easily extracted from system geometry. To find the corresponding points on a stereo pair of panoramic images the epipolar geometry needs to be determined. It can be shown that the epipolar geometry is very simple if we are doing the reconstruction based on a symmetric pair of stereo panoramic images. We get a symmetric pair of stereo panoramic images when we take symmetric columns on the left and on the right side from the captured image center column. Epipolar lines of the symmetrical pair of panoramic images are image rows. We focused mainly on the system analysis. The system performs well in the reconstruction of small indoor spaces

Design and Analysis of a Single-Camera Omnistereo Sensor for Quadrotor Micro Aerial Vehicles (MAVs)

We describe the design and 3D sensing performance of an omnidirectional stereo (omnistereo) vision system applied to Micro Aerial Vehicles (MAVs). The proposed omnistereo sensor employs a monocular camera that is co-axially aligned with a pair of hyperboloidal mirrors (a vertically-folded catadioptric configuration). We show that this arrangement provides a compact solution for omnidirectional 3D perception while mounted on top of propeller-based MAVs (not capable of large payloads). The theoretical single viewpoint (SVP) constraint helps us derive analytical solutions for the sensor’s projective geometry and generate SVP-compliant panoramic images to compute 3D information from stereo correspondences (in a truly synchronous fashion). We perform an extensive analysis on various system characteristics such as its size, catadioptric spatial resolution, field-of-view. In addition, we pose a probabilistic model for the uncertainty estimation of 3D information from triangulation of back-projected rays. We validate the projection error of the design using both synthetic and real-life images against ground-truth data. Qualitatively, we show 3D point clouds (dense and sparse) resulting out of a single image captured from a real-life experiment. We expect the reproducibility of our sensor as its model parameters can be optimized to satisfy other catadioptric-based omnistereo vision under different circumstances

Preliminary considerations of optical telescopes for lunar surface use

Design considerations of astronomical telescopes for lunar surface observatio

Catadioptric stereo-vision system using a spherical mirror

Abstract In the computer vision field, the reconstruction of target surfaces is usually achieved by using 3D optical scanners assembled integrating digital cameras and light emitters. However, these solutions are limited by the low field of view, which requires multiple acquisition from different views to reconstruct complex free-form geometries. The combination of mirrors and lenses (catadioptric systems) can be adopted to overcome this issue. In this work, a stereo catadioptric optical scanner has been developed by assembling two digital cameras, a spherical mirror and a multimedia white light projector. The adopted configuration defines a non-single viewpoint system, thus a non-central catadioptric camera model has been developed. An analytical solution to compute the projection of a scene point onto the image plane (forward projection) and vice-versa (backward projection) is presented. The proposed optical setup allows omnidirectional stereo vision thus allowing the reconstruction of target surfaces with a single acquisition. Preliminary results, obtained measuring a hollow specimen, demonstrated the effectiveness of the described approach

Enhancing 3D Visual Odometry with Single-Camera Stereo Omnidirectional Systems

We explore low-cost solutions for efficiently improving the 3D pose estimation problem of a single camera moving in an unfamiliar environment. The visual odometry (VO) task -- as it is called when using computer vision to estimate egomotion -- is of particular interest to mobile robots as well as humans with visual impairments. The payload capacity of small robots like micro-aerial vehicles (drones) requires the use of portable perception equipment, which is constrained by size, weight, energy consumption, and processing power. Using a single camera as the passive sensor for the VO task satisfies these requirements, and it motivates the proposed solutions presented in this thesis. To deliver the portability goal with a single off-the-shelf camera, we have taken two approaches: The first one, and the most extensively studied here, revolves around an unorthodox camera-mirrors configuration (catadioptrics) achieving a stereo omnidirectional system (SOS). The second approach relies on expanding the visual features from the scene into higher dimensionalities to track the pose of a conventional camera in a photogrammetric fashion. The first goal has many interdependent challenges, which we address as part of this thesis: SOS design, projection model, adequate calibration procedure, and application to VO. We show several practical advantages for the single-camera SOS due to its complete 360-degree stereo views, that other conventional 3D sensors lack due to their limited field of view. Since our omnidirectional stereo (omnistereo) views are captured by a single camera, a truly instantaneous pair of panoramic images is possible for 3D perception tasks. Finally, we address the VO problem as a direct multichannel tracking approach, which increases the pose estimation accuracy of the baseline method (i.e., using only grayscale or color information) under the photometric error minimization as the heart of the “direct” tracking algorithm. Currently, this solution has been tested on standard monocular cameras, but it could also be applied to an SOS. We believe the challenges that we attempted to solve have not been considered previously with the level of detail needed for successfully performing VO with a single camera as the ultimate goal in both real-life and simulated scenes

SIDE, a fiber fed spectrograph for the 10.4 m Gran Telescopio Canarias (GTC)

SIDE (Super Ifu Deployable Experiment) will be a second-generation, common-user instrument for the Grantecan (GTC) on La Palma (Canary Islands, Spain). It is being proposed as a spectrograph of low and intermediate resolution, highly efficient in multi-object spectroscopy and 3D spectroscopy. SIDE features the unique possibility of performing simultaneous visible and NIR observations for selected ranges. The SIDE project is leaded by the Instituto de Astrofisica de Andalucia (IAA-CSIC) in Granada (Spain) and the SIDE Consortium is formed by a total of 10 institutions from Spain, Mexico and USA. The SIDE Feasibility Study has been completed and currently the project is under revision by the GTC Project Office.Comment: 9 pages, 6 figures, to appear in "Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy II" SPIE conference Proc. 7014, Marseille, 23-28 June 200

360º hypervideo

Tese de mestrado em Informática, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2011Nesta dissertação descrevemos uma abordagem para o design e desenvolvimento de uma interface imersiva e interactiva para a visualização e navegação de hipervídeos em 360º através da internet. Estes tipos de hipervídeos permite aos utilizadores movimentarem-se em torno de um eixo para visualizar os conteúdos dos vídeos em diferentes ângulos e acedê los de forma eficiente através de hiperligações. Desafios para a apresentação deste tipo de hipervídeos incluem: proporcionar aos utilizadores uma interface adequada que seja capaz de explorar conteúdos em 360º num ecrã normal, onde o vídeo deve mudar de perspectiva para que os utilizadores sintam que estão a olhar ao redor, e formas de navegação adequadas para compreenderem facilmente a estrutura do hipervídeo, mesmo quando as hiperligações estejam fora do alcance do campo de visão. Os dispositivos para a captura de vídeo em 360º, bem como as formas de os disponibilizar na Web, são cada vez mais comuns e acessíveis ao público em geral. Neste contexto, é pertinente explorar formas e técnicas de navegação para visualizar e interagir com hipervídeos em 360º. Tradicionalmente, para visualizar o conteúdo de um vídeo, o utilizador fica limitado à região para onde a câmara estava apontada durante a sua captura, o que significa que o vídeo resultante terá limites laterais. Com a gravação de vídeo em 360º, já não há estes limites: abrindo novas direcções a explorar. Um player de hipervídeo em 360º vai permitir aos utilizadores movimentarem-se à volta para visualizar o resto do conteúdo e aceder de forma fácil às informações fornecidas pelas hiperligações. O vídeo é um tipo de informação muito rico que apresenta uma enorme quantidade de informação que muda ao longo do tempo. Um vídeo em 360º apresenta ainda mais informações ao mesmo tempo e acrescenta desafios, pois nem tudo está dentro do nosso campo de visão. No entanto, proporciona ao utilizador uma nova experiência de visualização potencialmente imersiva. Exploramos técnicas de navegação para ajudar os utilizadores a compreenderem e navegarem facilmente um espaço de hipervídeo a 360º e proporcionar uma experiência de visualização a outro nível, através dum espaço hipermédia imersivo. As hiperligações levam o utilizador para outros conteúdos hipermédia relacionados, tais como textos, imagens e vídeos ou outras páginas na Web. Depois de terminar a reprodução ou visualização dos conteúdos relacionados, o utilizador poderá retornar à posição anterior no vídeo. Através da utilização de técnicas de sumarização, podemos ainda fornecer aos utilizadores um sumário de todo o conteúdo do vídeo para que possam visualizá-lo e compreendê-lo duma forma mais eficiente e flexível, sem necessitar de visualizar o vídeo todo em sequência. O vídeo tem provado ser uma das formas mais eficientes de comunicação, permitindo a apresentação de um leque enorme e variado de informação num curto período de tempo. Os vídeos em 360º podem fornecer ainda mais informação, podendo ser mapeados sobre projecções cilíndricas ou esféricas. A projecção cilíndrica foi inventada em 1796 pelo pintor Robert Barker de Edimburgo que obteve a sua patente. A utilização de vídeo na Web tem consistido essencialmente na sua inclusão nas páginas, onde são visualizados de forma linear, e com interacções em geral limitadas às acções de play e pause, fast forward e reverse. Nos últimos anos, os avanços mais promissores no sentido do vídeo interactivo parecem ser através de hipervídeo, proporcionando uma verdadeira integração do vídeo em espaços hipermédia, onde o conteúdo pode ser estruturado e navegado através de hiperligações definidas no espaço e no tempo e de mecanismos de navegação interactivos flexíveis. Ao estender o conceito de hipervídeo para 360º, surgem novos desafios, principalmente porque grande parte do conteúdo está fora do campo de visão. O player de hipervídeo a 360º tem que fornecer aos utilizadores mecanismos apropriados para facilitar a percepção da estrutura do hipervídeo, para navegar de forma eficiente no espaço hipervídeo a 360º e idealmente proporcionar uma experiência imersiva. Para poder navegar num espaço hipervídeo a 360º, necessitamos de novos mecanismos de navegação. Apresentamos os principais mecanismos concebidos para visualização deste tipo de hipervídeo e soluções para os principais desafios em hipermédia: desorientação e sobrecarga cognitiva, agora no contexto de 360º. Focamos, essencialmente, os mecanismos de navegação que ajudam o utilizador a orientar-se no espaço de 360º. Desenvolvemos uma interface que funciona por arrastamento para a navegação no vídeo em 360º. Esta interface permite que o utilizador movimente o vídeo para visualizar o conteúdo em diferentes ângulos. O utilizador só precisa de arrastar o cursor para a esquerda ou para a direita para movimentar o campo de visão. Pode no entanto movimentar-se apenas para um dos lados para dar a volta sem qualquer tipo de limitação. A percepção da localização e do ângulo de visualização actual tornou-se um problema devido à falta de limites laterais. Durante os nossos testes, muitos utilizadores sentiram-se perdidos no espaço de 360º, sem saber que ângulos é que estavam a visualizar. Em hipervídeo, a percepção de hiperligações é mais desafiante do que em hipermédia tradicional porque as hiperligações podem ter duração, podem coexistir no tempo e no espaço e o vídeo muda ao longo do tempo. Assim, são precisos mecanismos especiais, para torná-las perceptíveis aos utilizadores. Em hipervídeo em 360º, grande parte do conteúdo é invisível ao utilizador por não estar no campo de visão, logo será necessário estudar novas abordagens e mecanismos para indicar a existência de hiperligações. Criámos os Hotspots Availability e Location Indicators para permitir aos utilizadores saberem a existência e a localização de cada uma das hiperligações. O posicionamento dos indicadores de hotspots availabity no eixo da ordenada, nas margens laterais do vídeo, serve para indicar em que posição vertical está cada uma das hiperligações. O tamanho do indicador serve para indicar a distância do hotspot em relação ao ângulo de visualização. Quanto mais perto fica o hotspot, maior é o indicador. Os indicadores são semi-transparentes e estão posicionados nas margens laterais para minimizar o impacto que têm sobre o conteúdo do vídeo. O Mini Map também fornece informações acerca da existência e localização de hotspots, que deverão conter alguma informação do conteúdo de destino, para que o utilizador possa ter alguma expectativa acerca do que vai visualizar depois de seguir a hiperligação. Uma caixa de texto com aspecto de balão de banda desenhada permite acomodar várias informações relevantes. Quando os utilizadores seleccionam o hotspot, poderão ser redireccionados para um tempo pré-definido do vídeo ou uma página com informação adicional ou a selecção pode ser memorizada pelo sistema e o seu conteúdo ser mostrado apenas quando o utilizador desejar, dependendo do tipo de aplicação. Por exemplo, se a finalidade do vídeo for o apoio à aprendizagem (e-learning), pode fazer mais sentido abrir logo o conteúdo da hiperligação, pois os utilizadores estão habituados a ver aquele tipo de informação passo a passo. Se o vídeo for de entretenimento, os utilizadores provavelmente não gostam de ser interrompidos pela abertura do novo conteúdo, podendo optar pela memorização da hiperligação, e pelo seu acesso posterior, quando quiserem. Para além do título e da descrição do vídeo, o modo Image Map fornece uma visualização global do conteúdo do vídeo. As pré-visualizações (thumbnails) referem-se às cenas do vídeo e são representadas através duma projecção cilíndrica, para que todo o conteúdo ao longo do tempo possa ser visualizado. Permite também, de forma sincronizada, saber a cena actual e oferece ao utilizador a possibilidade de navegar para outras cenas. Toda a área de pré-visualização é sensível ao clique e determina as coordenadas da pré-visualização que o utilizador seleccionou. Uma versão mais condensada disponibiliza apenas a pré-visualização da parte central de cada uma das cenas. Permite a apresentação simultânea de um maior número de cenas, mas limita a visualização e a flexibilidade para navegar para o ângulo desejado de forma mais directa. Algumas funcionalidades também foram adicionadas à linha de tempo (timeline), ou Barra de Progresso. Para além dos tradicionais botões de Play, Pause e Tempo de Vídeo, estendemos a barra para adaptar a algumas características de uma página Web. Como é um Player desenvolvido para funcionar na internet, precisamos de ter em conta que é preciso tempo para carregar o vídeo. A barra de bytes loaded indica ao utilizador o progresso do carregamento do vídeo e não permite que o utilizador aceda às informações que ainda não foram carregadas. O hiperespaço é navegado em contextos espácio-temporais que a história recorda. A barra de memória, Memory Bar, fornece informação ao utilizador acerca das partes do vídeo que já foram visualizadas. O botão Toogle Full Screen alterna o modo de visualização do vídeo entre full e standard screen . O modo full screen leva o utilizador para fora das limitações do browser e maximiza o conteúdo do vídeo para o tamanho do ecrã. É mais um passo para um modo de visualização imersiva, por exemplo numa projecção 360º dentro duma Cave, como estamos a considerar explorar em trabalho futuro. Nesta dissertação, apresentamos uma abordagem para a visualização e interacção de vídeos em 360º. A navegação num espaço de vídeo em 360º apresenta uma nova experiência para grande parte das pessoas e não existem ainda intuições consistentes sobre o comportamento deste tipo de navegação. Os utilizadores, muito provavelmente, vão sentir o problema que inicialmente houve com o hipertexto, em que o utilizador se sentia perdido no hiperespaço. Por isso, o Player de Hipervídeo a 360º tem que ser o mais claro e eficaz possível para que os utilizadores possam interagir facilmente. O teste de usabilidade foi feito com base no questionário USE e entrevistas aos utilizadores de modo a determinar a usabilidade e experiência de acordo com os seus comentários, sugestões e preocupações sobre as funcionalidades, mecanismos de acesso ou de representação de informação fornecidos. Os resultados dos testes e comentários obtidos, permitiu-nos obter mais informação sobre a usabilidade do player e identificar as possíveis melhorias. Em resumo, os comentários dos utilizadores foram muito positivos e úteis que nos ajudará a continuar a trabalhar na investigação do Hipervídeo 360º. O trabalho futuro consiste na realização de mais testes de usabilidade e desenvolvimento de diferentes versões do Player de Hipervídeo em 360º, com mecanismos de navegação revistos e estendidos, com base nos resultados das avaliações. O Player de Hipervídeo em 360º não deverá ser apenas uma aplicação para Web, deverá poder integrar com quiosques multimédia ou outras instalações imersivas. Provavelmente serão necessárias novas funcionalidades e tipos de navegação para adaptar a diferentes contextos. O exemplo do Player de Hipervídeo em 360º apresentado neste artigo utiliza um Web browser e um rato como meio de apresentação e interacção. Com o crescimento das tecnologias de vídeo 3D, multi-toque e eye-tracking, podem surgir novas formas de visualização e de interacção com o espaço 360º. Estas novas formas trazem novos desafios mas também um potencial acrescido de novas experiências a explorar.In traditional video, the user is locked to the angle where the camera was pointing to during the capture of the video. With 360º video recording, there are no longer these boundaries, and 360º video capturing devices are becoming more common and affordable to the general public. Hypervideo stretches boundaries even further, allowing to explore the video and to navigate to related information. By extending the hypervideo concept into the 360º video, which we call 360º hypervideo, new challenges arise. Challenges for presenting this type of hypervideo include: providing users with an appropriate interface capable to explore 360º contents, where the video should change perspective so that the users actually get the feeling of looking around; and providing the appropriate affordances to understand the hypervideo structure and to navigate it effectively in a 360º hypervideo space, even when link opportunities arise in places outside the current viewport. In this thesis, we describe an approach to the design and development of an immersive and interactive interface for the visualization and navigation of 360º hypervideos. Such interface allow users to pan around to view the contents in different angles and effectively access related information through the hyperlinks. Then a user study was conducted to evaluate the 360º Hypervideo Player’s user interface and functionalities. By collecting specific and global comments, concerns and suggestions for functionalities and access mechanisms that would allow us to gain more awareness about the player usability and identify directions for improvements and finally we draw some conclusions and opens perspectives for future work