Path-Planning for optimal coverage under security constraints

Treball fet a la Technische Universität Berlin. Fakultät Elektrotechnik und Informatik[ANGLÈS] In recent years, three-dimensional building reconstruction has been an active area of research, partly motivated by the spread of low cost unmanned aerial vehicles platforms. These permit exploiting the entire three-dimensional space as long as it is free of obstacles. Current approaches manually plan a set of viewpoints from which to conduct multiple scans of a target building, and then later select the best ones to use in a structure from motion system. This procedure often has two problems: some parts are covered with low detail or some parts are evenly uncovered. In these situations, an automatic view planner is necessary; it will completely cover a building surface, while reducing time and cost of the overall process. This thesis presents an automatic view planner for three-dimensional building reconstruction based on dividing edifices into several slices and for each one solve a two-dimensional problem. From a rough model of the environment and a desired detail level, both described in a cost function, the system computes a route in which there is a set of viewpoints to completely cover a target building surface of any shape, taking into account that there may be obstacles in the environment. The final route is proposed to be followed by an unmanned aerial vehicle equipped with a digital camera.[CASTELLÀ] En los últimos años, la reconstrucción 3D de edificios ha sido un área activa de investigación, en parte motivada por la difusión de plataformas económicas de unmanned aerial vehicles. Estos permiten explotar completamente el espacio 3D mientras esté libre de obstáculos. Las soluciones actuales planean manualmente una serie de puntos desde donde realizar escaneos de un edificio objetivo, para luego seleccionar los mejores para utilizar en un sistema structure from motion. Este procedimiento a menudo tiene dos grandes problemas: algunas partes del edificio se cubren con bajo detalle u otras partes incluso no se cubren. En estas situaciones un view planner automático es necesario. Este cubrirá completamente la superficie del edificio, a la vez que reducirá costes y tiempo en el proceso global. Este proyecto presenta un view planner automático para la reconstrucción 3D de edificios basado en dividir estos en rebanadas y para cada una resolver un problema en 2D. A partir de un modelo en bruto de la escena, y un detalle deseado, ambos descritos en una función de coste, el sistema calcula una ruta en la que hay una serie de puntos que cubren completamente la superficie de un edificio objetivo de cualquier forma, teniendo en cuenta que puede haber obstáculos en la escena. La idea es que un unmanned aerial vehicle equipado con una cámara digital siga el camino final diseñado.[CATALÀ] Els darrers anys, la reconstrucció 3D d’edificis ha estat una área activa de recerca, en part motivada per la difusió de plataformes econòmiques de unmanned aerial vehicles. Aquests permeten explotar completament l’espai 3D mentres estigui lliure d’obstacles. Les solucions actuals planegen manualment una sèrie de punts des don realitzar escanejos d’un edifici objectiu, per després seleccionar els millors per a utilitzar en un sistema structure from motion. Aquest procediment sovint té dos grans problemes: algunes parts de l’edifici es cobreixen amb baix detall o altres parts inclús no es cobreixen. En aquestes situacions un view planner automàtic es necessari. Aquest cobrirà completament la superfície de l’edifici, a la vegada que reduirà costos i temps en el procés global. Aquest projecte presenta un view planner automàtic per a la reconstrucció 3D d’edificis basat en dividir aquests en llesques i per a cada una resoldre un problema en 2D. A partir d’un model en brut de l’escena, i un detall desitjat, ambdós descrits en una funció de cost, el sistema calcula una ruta en la qual hi ha una serie de punts que cobriran completament la superfície d’un edifici objectiu de qualsevol forma, tenint en compte que hi poden haver obstacles a l’escena. La idea es que un unmanned aerial vehicle equipat amb una càmera digital segueixi el camí final dissenyat

Path-Planning for optimal coverage under security constraints

Treball fet a la Technische Universität Berlin. Fakultät Elektrotechnik und Informatik[ANGLÈS] In recent years, three-dimensional building reconstruction has been an active area of research, partly motivated by the spread of low cost unmanned aerial vehicles platforms. These permit exploiting the entire three-dimensional space as long as it is free of obstacles. Current approaches manually plan a set of viewpoints from which to conduct multiple scans of a target building, and then later select the best ones to use in a structure from motion system. This procedure often has two problems: some parts are covered with low detail or some parts are evenly uncovered. In these situations, an automatic view planner is necessary; it will completely cover a building surface, while reducing time and cost of the overall process. This thesis presents an automatic view planner for three-dimensional building reconstruction based on dividing edifices into several slices and for each one solve a two-dimensional problem. From a rough model of the environment and a desired detail level, both described in a cost function, the system computes a route in which there is a set of viewpoints to completely cover a target building surface of any shape, taking into account that there may be obstacles in the environment. The final route is proposed to be followed by an unmanned aerial vehicle equipped with a digital camera.[CASTELLÀ] En los últimos años, la reconstrucción 3D de edificios ha sido un área activa de investigación, en parte motivada por la difusión de plataformas económicas de unmanned aerial vehicles. Estos permiten explotar completamente el espacio 3D mientras esté libre de obstáculos. Las soluciones actuales planean manualmente una serie de puntos desde donde realizar escaneos de un edificio objetivo, para luego seleccionar los mejores para utilizar en un sistema structure from motion. Este procedimiento a menudo tiene dos grandes problemas: algunas partes del edificio se cubren con bajo detalle u otras partes incluso no se cubren. En estas situaciones un view planner automático es necesario. Este cubrirá completamente la superficie del edificio, a la vez que reducirá costes y tiempo en el proceso global. Este proyecto presenta un view planner automático para la reconstrucción 3D de edificios basado en dividir estos en rebanadas y para cada una resolver un problema en 2D. A partir de un modelo en bruto de la escena, y un detalle deseado, ambos descritos en una función de coste, el sistema calcula una ruta en la que hay una serie de puntos que cubren completamente la superficie de un edificio objetivo de cualquier forma, teniendo en cuenta que puede haber obstáculos en la escena. La idea es que un unmanned aerial vehicle equipado con una cámara digital siga el camino final diseñado.[CATALÀ] Els darrers anys, la reconstrucció 3D d’edificis ha estat una área activa de recerca, en part motivada per la difusió de plataformes econòmiques de unmanned aerial vehicles. Aquests permeten explotar completament l’espai 3D mentres estigui lliure d’obstacles. Les solucions actuals planegen manualment una sèrie de punts des don realitzar escanejos d’un edifici objectiu, per després seleccionar els millors per a utilitzar en un sistema structure from motion. Aquest procediment sovint té dos grans problemes: algunes parts de l’edifici es cobreixen amb baix detall o altres parts inclús no es cobreixen. En aquestes situacions un view planner automàtic es necessari. Aquest cobrirà completament la superfície de l’edifici, a la vegada que reduirà costos i temps en el procés global. Aquest projecte presenta un view planner automàtic per a la reconstrucció 3D d’edificis basat en dividir aquests en llesques i per a cada una resoldre un problema en 2D. A partir d’un model en brut de l’escena, i un detall desitjat, ambdós descrits en una funció de cost, el sistema calcula una ruta en la qual hi ha una serie de punts que cobriran completament la superfície d’un edifici objectiu de qualsevol forma, tenint en compte que hi poden haver obstacles a l’escena. La idea es que un unmanned aerial vehicle equipat amb una càmera digital segueixi el camí final dissenyat

Global Surface Reconstruction By Purposive Control of Observer Motion

What real-time, qualitative viewpoint-control behaviors are important for performing global visual exploration tasks such as searching for specific surface markings, building a global model of an arbitrary object, or recognizing an object? In this paper we consider the task of purposefully controlling the motion of an active, monocular observer in order to recover a global description of a smooth, arbitrarily-shaped object using the occluding contour. By studying the epipolar parameterization, we develop two basic behaviors that allow reconstruction of a patch around any point in a reconstructible surface region. These behaviors rely only on information extracted directly from images (e.g., tangents to the occluding contour), and are simple enough to be executed in real time. We then show how global surface reconstruction can be provably achieved by (1) integrating these behaviors to iteratively “grow ” the reconstructed regions, and (2) obeying four simple rules.

Obtención de mapas de profundidad densos mediante visión activa por movimiento controlado de una cámara : Aplicación a tareas de reconocimiento

En este trabajo se presenta una aproximación novedosa al problema de obtención de información tridimensional de una escena a partir de distintas vistas de la misma. El montaje sobre el que se ha realizado la validación experimental de los algoritmos desarrollados es del tipo hand-eye por ser un tipo de montaje suficientemente contrastado en la literatura y con claras aplicaciones industriales. Entre ellas están las de prototipado rápido, agarre o construcción de entornos virtuales para teleoperación. No obstante, los algoritmos obtenidos son fácilmente realizables sobre otro tipo de sistemas tales como robots móviles. En este caso las aplicaciones en navegación visual y levantamiento de mapas de entornos desconocidos son claramente identificables. La consecución del objetivo final ha supuesto la investigación y la obtención de resultados reseñables en distintas áreas. Ha sido necesario el desarrollo de un proceso de calibración del sistema en el que se hacen aportaciones a la calibración de cámaras con fuerte distorsión radial. La estructura tridimensional de los objetos de la escena se ha obtenido de manera incremental. La investigación en este campo ha dado como fruto la evolución de un método clásico (MCE) de obtención de distancias por estereoscopía y el desarrollo de otro novedoso (RRD). La determinación de la posición de la siguiente reconstrucción incremental ha hecho necesario el estudio de las diferentes estrategias presentes en la literatura para la solución del problema de determinación de la siguiente mejor vista (NBV). Como resultado se presenta el desarrollo de un nuevo algoritmo NBV especialmente adaptado al empleo de cámaras como elemento de toma de datos. El trabajo concluye presentando los resultados obtenidos al utilizar los resultados obtenidos en un sistema de reconocimiento tridimensional de objetos. Este tipo de aplicación se ha elegido por su gran exigencia en la calidad de los datos de entrada y la clara aplicación práctica de un sistema de este tipo

Investigating Human Achilles Tendon Biomechanics Using Novel Ultrasound Imaging approaches

Achilles tendinopathy is the most common lower limb tendinopathy, with increasing yearly prevalence. Nonetheless, there remains poor understanding of disease aetiology, and challenges associated with contextualising diagnosis to inform treatment. Imaging highlights that structural changes do not correlate with functional changes. The aim of this thesis is to establish an ultrasound-based imaging method to detect the slip planes, and subsequently to quantify local strain distribution in human free Achilles tendon. A systematic review was conducted to determine state-of-the-art in detecting non uniformity in tendon deformation during functional use and synthesise current best understanding of how non-uniformity varies between individuals, with injury and with ageing. Outcomes identified that no previous studies have looked at slip-planes in tendon, to define sub-tendon boundaries and explore independent loading of each head of triceps surae muscles and resulting tendon deformation behaviour. The thesis subsequently focused on developed a method to address this gap, adapting and optimising an automated algorithm known as slip-elastography (previously developed to investigate slippery boundary of cancerous tissue) to detect and quantifying non-uniform tendon strains and identify slip boundaries. Ultrasound radiofrequency data of the AT was collected while participants performed movement tasks and analysed retrospectively along with electromyography and torque data. Data demonstrated that the deep layer of the AT displaced further than the superficial layer during movement. However, knee position was shown not to influence tendon displacement profile during EL and CL. The technique provided data on lateral shear strains throughout the tendon, as a route to detecting intra-tendon slip-planes. Tendon shear strain was highest during EL, with shear strain significantly dependent on loading type only, with no effect of knee ankle or muscle activity during EL, CL or MVIC. Data indicates that the extent of non-uniformity could be controlled with different exercises, offering a possible future route towards optimising treatment. However, these are not yet detected robustly enough for clinical applicability, challenged by limited resolution and the 3D nature of movements in the AT. Future work needs to improved resolution with higher frequency data acquisition to address these limitations and develop rehabilitation mechanism and injury prediction tools