Automatic Reconstruction of Textured 3D Models

Three dimensional modeling and visualization of environments is an increasingly important problem. This work addresses the problem of automatic 3D reconstruction and we present a system for unsupervised reconstruction of textured 3D models in the context of modeling indoor environments. We present solutions to all aspects of the modeling process and an integrated system for the automatic creation of large scale 3D models

Large-Scale Textured 3D Scene Reconstruction

Die Erstellung dreidimensionaler Umgebungsmodelle ist eine fundamentale Aufgabe im Bereich des maschinellen Sehens. Rekonstruktionen sind für eine Reihe von Anwendungen von Nutzen, wie bei der Vermessung, dem Erhalt von Kulturgütern oder der Erstellung virtueller Welten in der Unterhaltungsindustrie. Im Bereich des automatischen Fahrens helfen sie bei der Bewältigung einer Vielzahl an Herausforderungen. Dazu gehören Lokalisierung, das Annotieren großer Datensätze oder die vollautomatische Erstellung von Simulationsszenarien. Die Herausforderung bei der 3D Rekonstruktion ist die gemeinsame Schätzung von Sensorposen und einem Umgebunsmodell. Redundante und potenziell fehlerbehaftete Messungen verschiedener Sensoren müssen in eine gemeinsame Repräsentation der Welt integriert werden, um ein metrisch und photometrisch korrektes Modell zu erhalten. Gleichzeitig muss die Methode effizient Ressourcen nutzen, um Laufzeiten zu erreichen, welche die praktische Nutzung ermöglichen. In dieser Arbeit stellen wir ein Verfahren zur Rekonstruktion vor, das fähig ist, photorealistische 3D Rekonstruktionen großer Areale zu erstellen, die sich über mehrere Kilometer erstrecken. Entfernungsmessungen aus Laserscannern und Stereokamerasystemen werden zusammen mit Hilfe eines volumetrischen Rekonstruktionsverfahrens fusioniert. Ringschlüsse werden erkannt und als zusätzliche Bedingungen eingebracht, um eine global konsistente Karte zu erhalten. Das resultierende Gitternetz wird aus Kamerabildern texturiert, wobei die einzelnen Beobachtungen mit ihrer Güte gewichtet werden. Für eine nahtlose Erscheinung werden die unbekannten Belichtungszeiten und Parameter des optischen Systems mitgeschätzt und die Bilder entsprechend korrigiert. Wir evaluieren unsere Methode auf synthetischen Daten, realen Sensordaten unseres Versuchsfahrzeugs und öffentlich verfügbaren Datensätzen. Wir zeigen qualitative Ergebnisse großer innerstädtischer Bereiche, sowie quantitative Auswertungen der Fahrzeugtrajektorie und der Rekonstruktionsqualität. Zuletzt präsentieren wir mehrere Anwendungen und zeigen somit den Nutzen unserer Methode für Anwendungen im Bereich des automatischen Fahrens

Scalable 3D Surface Reconstruction by Local Stochastic Fusion of Disparity Maps

Digital three-dimensional (3D) models are of significant interest to many application fields, such as medicine, engineering, simulation, and entertainment. Manual creation of 3D models is extremely time-consuming and data acquisition, e.g., through laser sensors, is expensive. In contrast, images captured by cameras mean cheap acquisition and high availability. Significant progress in the field of computer vision already allows for automatic 3D reconstruction using images. Nevertheless, many problems still exist, particularly for big sets of large images. In addition to the complex formulation necessary to solve an ill-posed problem, one has to manage extremely large amounts of data. This thesis targets 3D surface reconstruction using image sets, especially for large-scale, but also for high-accuracy applications. To this end, a processing chain for dense scalable 3D surface reconstruction using large image sets is defined consisting of image registration, disparity estimation, disparity map fusion, and triangulation of point clouds. The main focus of this thesis lies on the fusion and filtering of disparity maps, obtained by Semi-Global Matching, to create accurate 3D point clouds. For unlimited scalability, a Divide and Conquer method is presented that allows for parallel processing of subspaces of the 3D reconstruction space. The method for fusing disparity maps employs local optimization of spatial data. By this means, it avoids complex fusion strategies when merging subspaces. Although the focus is on scalable reconstruction, a high surface quality is obtained by several extensions to state-of-the-art local optimization methods. To this end, the seminal local volumetric optimization method by Curless and Levoy (1996) is interpreted from a probabilistic perspective. From this perspective, the method is extended through Bayesian fusion of spatial measurements with Gaussian uncertainty. Additionally to the generation of an optimal surface, this probabilistic perspective allows for the estimation of surface probabilities. They are used for filtering outliers in 3D space by means of geometric consistency checks. A further improvement of the quality is obtained based on the analysis of the disparity uncertainty. To this end, Total Variation (TV)-based feature classes are defined that are highly correlated with the disparity uncertainty. The correlation function is learned from ground-truth data by means of an Expectation Maximization (EM) approach. Because of the consideration of a statistically estimated disparity error in a probabilistic framework for fusion of spatial data, this can be regarded as a stochastic fusion of disparity maps. In addition, the influence of image registration and polygonization for volumetric fusion is analyzed and used to extend the method. Finally, a multi-resolution strategy is presented that allows for the generation of surfaces from spatial data with a largely varying quality. This method extends state-of-the-art methods by considering the spatial uncertainty of 3D points from stereo data. The evaluation of several well-known and novel datasets demonstrates the potential of the scalable stochastic fusion method. The strength and the weakness of the method are discussed and direction for future research is given.Digitale dreidimensionale (3D) Modelle sind in vielen Anwendungsfeldern, wie Medizin, Ingenieurswesen, Simulation und Unterhaltung von signifikantem Interesse. Eine manuelle Erstellung von 3D-Modellen ist äußerst zeitaufwendig und die Erfassung der Daten, z.B. durch Lasersensoren, ist teuer. Kamerabilder ermöglichen hingegen preiswerte Aufnahmen und sind gut verfügbar. Der rasante Fortschritt im Forschungsfeld Computer Vision ermöglicht bereits eine automatische 3D-Rekonstruktion aus Bilddaten. Dennoch besteht weiterhin eine Vielzahl von Problemen, insbesondere bei der Verarbeitung von großen Mengen hochauflösender Bilder. Zusätzlich zur komplexen Formulierung, die zur Lösung eines schlecht gestellten Problems notwendig ist, besteht die Herausforderung darin, äußerst große Datenmengen zu verwalten. Diese Arbeit befasst sich mit dem Problem der 3D-Oberflächenrekonstruktion aus Bilddaten, insbesondere für sehr große Modelle, aber auch Anwendungen mit hohem Genauigkeitsanforderungen. Zu diesem Zweck wird eine Prozesskette zur dichten skalierbaren 3D-Oberflächenrekonstruktion für große Bildmengen definiert, bestehend aus Bildregistrierung, Disparitätsschätzung, Fusion von Disparitätskarten und Triangulation von Punktwolken. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Fusion und Filterung von durch Semi-Global Matching generierten Disparitätskarten zur Bestimmung von genauen 3D-Punktwolken. Für eine unbegrenzte Skalierbarkeit wird eine Divide and Conquer Methode vorgestellt, welche eine parallele Verarbeitung von Teilräumen des 3D-Rekonstruktionsraums ermöglicht. Die Methode zur Fusion von Disparitätskarten basiert auf lokaler Optimierung von 3D Daten. Damit kann eine komplizierte Fusionsstrategie für die Unterräume vermieden werden. Obwohl der Fokus auf der skalierbaren Rekonstruktion liegt, wird eine hohe Oberflächenqualität durch mehrere Erweiterungen von lokalen Optimierungsmodellen erzielt, die dem Stand der Forschung entsprechen. Dazu wird die wegweisende lokale volumetrische Optimierungsmethode von Curless and Levoy (1996) aus einer probabilistischen Perspektive interpretiert. Aus dieser Perspektive wird die Methode durch eine Bayes Fusion von räumlichen Messungen mit Gaußscher Unsicherheit erweitert. Zusätzlich zur Bestimmung einer optimalen Oberfläche ermöglicht diese probabilistische Fusion die Extraktion von Oberflächenwahrscheinlichkeiten. Diese werden wiederum zur Filterung von Ausreißern mittels geometrischer Konsistenzprüfungen im 3D-Raum verwendet. Eine weitere Verbesserung der Qualität wird basierend auf der Analyse der Disparitätsunsicherheit erzielt. Dazu werden Gesamtvariation-basierte Merkmalsklassen definiert, welche stark mit der Disparitätsunsicherheit korrelieren. Die Korrelationsfunktion wird aus ground-truth Daten mittels eines Expectation Maximization (EM) Ansatzes gelernt. Aufgrund der Berücksichtigung eines statistisch geschätzten Disparitätsfehlers in einem probabilistischem Grundgerüst für die Fusion von räumlichen Daten, kann dies als eine stochastische Fusion von Disparitätskarten betrachtet werden. Außerdem wird der Einfluss der Bildregistrierung und Polygonisierung auf die volumetrische Fusion analysiert und verwendet, um die Methode zu erweitern. Schließlich wird eine Multi-Resolution Strategie präsentiert, welche die Generierung von Oberflächen aus räumlichen Daten mit unterschiedlichster Qualität ermöglicht. Diese Methode erweitert Methoden, die den Stand der Forschung darstellen, durch die Berücksichtigung der räumlichen Unsicherheit von 3D-Punkten aus Stereo Daten. Die Evaluierung von mehreren bekannten und neuen Datensätzen zeigt das Potential der skalierbaren stochastischen Fusionsmethode auf. Stärken und Schwächen der Methode werden diskutiert und es wird eine Empfehlung für zukünftige Forschung gegeben

Digital Multispectral Map Reconstruction Using Aerial Imagery

Advances made in the computer vision field allowed for the establishment of faster and more accurate photogrammetry techniques. Structure from Motion(SfM) is a photogrammetric technique focused on the digital spatial reconstruction of objects based on a sequence of images. The benefit of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) platforms allowed the ability to acquire high fidelity imagery intended for environmental mapping. This way, UAV platforms became a heavily adopted method of survey. The combination of SfM and the recent improvements of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) platforms granted greater flexibility and applicability, opening a new path for a new remote sensing technique aimed to replace more traditional and laborious approaches often associated with high monetary costs. The continued development of digital reconstruction software and advances in the field of computer processing allowed for a more affordable and higher resolution solution when compared to the traditional methods. The present work proposed a digital reconstruction algorithm based on images taken by a UAV platform inspired by the work made available by the open-source project OpenDroneMap. The aerial images are inserted in the computer vision program and several operations are applied to them, including detection and matching of features, point cloud reconstruction, meshing, and texturing, which results in a final product that represents the surveyed site. Additionally, from the study, it was concluded that an implementation which addresses the processing of thermal images was not integrated in the works of OpenDroneMap. By this point, their work was altered to allow for the reconstruction of thermal maps without sacrificing the resolution of the final model. Standard methods to process thermal images required a larger image footprint (or area of ground capture in a frame), the reason for this is that these types of images lack the presence of invariable features and by increasing the image’s footprint, the number of features present in each frame also rises. However, this method of image capture results in a lower resolution of the final product. The algorithm was developed using open-source libraries. In order to validate the obtained results, this model was compared to data obtained from commercial products, like Pix4D. Furthermore, due to circumstances brought about by the current pandemic, it was not possible to conduct a field study for the comparison and assessment of our results, as such the validation of the models was performed by verifying if the geographic location of the model was performed correctly and by visually assessing the generated maps.Avanços no campo da visão computacional permitiu o desenvolvimento de algoritmos mais eficientes de fotogrametria. Structure from Motion (SfM) é uma técnica de fotogrametria que tem como objetivo a reconstrução digital de objectos no espaço derivados de uma sequência de imagens. A característica importante que os Veículos Aérios não-tripulados (UAV) conseguem fornecer, a nível de mapeamento, é a sua capacidade de obter um conjunto de imagens de alta resolução. Devido a isto, UAV tornaram-se num dos métodos adotados no estudo de topografia. A combinação entre SfM e recentes avanços nos UAV permitiram uma melhor flexibilidade e aplicabilidade, permitindo deste modo desenvolver um novo método de Remote Sensing. Este método pretende substituir técnicas tradicionais, as quais estão associadas a mão-de-obra intensiva e a custos monetários elevados. Avanços contínuos feitos em softwares de reconstrução digital e no poder de processamento resultou em modelos de maior resolução e menos dispendiosos comparando a métodos tradicionais. O presente estudo propõe um algoritmo de reconstrução digital baseado em imagens obtidas através de UAV inspiradas no estudo disponibilizado pela OpenDroneMap. Estas imagens são inseridas no programa de visão computacional, onde várias operações são realizadas, incluindo: deteção e correspondência de caracteristicas, geração da point cloud, meshing e texturação dos quais resulta o produto final que representa o local em estudo. De forma complementar, concluiu-se que o trabalho da OpenDroneMap não incluia um processo de tratamento de imagens térmicas. Desta forma, alterações foram efetuadas que permitissem a criação de mapas térmicos sem sacrificar resolução do produto final, pois métodos típicos para processamento de imagens térmicas requerem uma área de captura maior, devido à falta de características invariantes neste tipo de imagens, o que leva a uma redução de resolução. Desta forma, o programa proposto foi desenvolvido através de bibliotecas open-source e os resultados foram comparados com modelos gerados através de software comerciais. Além do mais, devido à situação pandémica atual, não foi possível efetuar um estudo de campo para validar os modelos obtidos, como tal esta verificação foi feita através da correta localização geográfica do modelo, bem como avaliação visual dos modelos criados

Automatic Reconstruction of Textured 3D Models

Three dimensional modeling and visualization of environments is an increasingly important problem. This work addresses the problem of automatic 3D reconstruction and we present a system for unsupervised reconstruction of textured 3D models in the context of modeling indoor environments. We present solutions to all aspects of the modeling process and an integrated system for the automatic creation of large scale 3D models

Automated 3D model generation for urban environments [online]

Abstract In this thesis, we present a fast approach to automated generation of textured 3D city models with both high details at ground level and complete coverage for birds-eye view. A ground-based facade model is acquired by driving a vehicle equipped with two 2D laser scanners and a digital camera under normal traffic conditions on public roads. One scanner is mounted horizontally and is used to determine the approximate component of relative motion along the movement of the acquisition vehicle via scan matching; the obtained relative motion estimates are concatenated to form an initial path. Assuming that features such as buildings are visible from both ground-based and airborne view, this initial path is globally corrected by Monte-Carlo Localization techniques using an aerial photograph or a Digital Surface Model as a global map. The second scanner is mounted vertically and is used to capture the 3D shape of the building facades. Applying a series of automated processing steps, a texture-mapped 3D facade model is reconstructed from the vertical laser scans and the camera images. In order to obtain an airborne model containing the roof and terrain shape complementary to the facade model, a Digital Surface Model is created from airborne laser scans, then triangulated, and finally texturemapped with aerial imagery. Finally, the facade model and the airborne model are fused to one single model usable for both walk- and fly-thrus. The developed algorithms are evaluated on a large data set acquired in downtown Berkeley, and the results are shown and discussed

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

Modeling and Simulation in Engineering

This book provides an open platform to establish and share knowledge developed by scholars, scientists, and engineers from all over the world, about various applications of the modeling and simulation in the design process of products, in various engineering fields. The book consists of 12 chapters arranged in two sections (3D Modeling and Virtual Prototyping), reflecting the multidimensionality of applications related to modeling and simulation. Some of the most recent modeling and simulation techniques, as well as some of the most accurate and sophisticated software in treating complex systems, are applied. All the original contributions in this book are jointed by the basic principle of a successful modeling and simulation process: as complex as necessary, and as simple as possible. The idea is to manipulate the simplifying assumptions in a way that reduces the complexity of the model (in order to make a real-time simulation), but without altering the precision of the results

3D Reconstruction of Indoor Corridor Models Using Single Imagery and Video Sequences

In recent years, 3D indoor modeling has gained more attention due to its role in decision-making process of maintaining the status and managing the security of building indoor spaces. In this thesis, the problem of continuous indoor corridor space modeling has been tackled through two approaches. The first approach develops a modeling method based on middle-level perceptual organization. The second approach develops a visual Simultaneous Localisation and Mapping (SLAM) system with model-based loop closure. In the first approach, the image space was searched for a corridor layout that can be converted into a geometrically accurate 3D model. Manhattan rule assumption was adopted, and indoor corridor layout hypotheses were generated through a random rule-based intersection of image physical line segments and virtual rays of orthogonal vanishing points. Volumetric reasoning, correspondences to physical edges, orientation map and geometric context of an image are all considered for scoring layout hypotheses. This approach provides physically plausible solutions while facing objects or occlusions in a corridor scene. In the second approach, Layout SLAM is introduced. Layout SLAM performs camera localization while maps layout corners and normal point features in 3D space. Here, a new feature matching cost function was proposed considering both local and global context information. In addition, a rotation compensation variable makes Layout SLAM robust against cameras orientation errors accumulations. Moreover, layout model matching of keyframes insures accurate loop closures that prevent miss-association of newly visited landmarks to previously visited scene parts. The comparison of generated single image-based 3D models to ground truth models showed that average ratio differences in widths, heights and lengths were 1.8%, 3.7% and 19.2% respectively. Moreover, Layout SLAM performed with the maximum absolute trajectory error of 2.4m in position and 8.2 degree in orientation for approximately 318m path on RAWSEEDS data set. Loop closing was strongly performed for Layout SLAM and provided 3D indoor corridor layouts with less than 1.05m displacement errors in length and less than 20cm in width and height for approximately 315m path on York University data set. The proposed methods can successfully generate 3D indoor corridor models compared to their major counterpart