Assessment of Camera Pose Estimation Using Geo-Located Images from Simultaneous Localization and Mapping

This research proposes a method for enabling low-cost camera localization using geo-located images generated with factorgraph-based Simultaneous Localization And Mapping (SLAM). The SLAM results are paired with panoramic image data to generate geo-located images, which can be used to locate and orient low-cost cameras. This study determines the efficacy of using a spherical camera and LIDAR sensor to enable localization for a wide range of cameras with low size, weight, power, and cost. This includes determining the accuracy of SLAM when geo-referencing images, along with introducing a promising method for extracting range measurements from monocular images of known features

Keyframe-based monocular SLAM: design, survey, and future directions

Extensive research in the field of monocular SLAM for the past fifteen years has yielded workable systems that found their way into various applications in robotics and augmented reality. Although filter-based monocular SLAM systems were common at some time, the more efficient keyframe-based solutions are becoming the de facto methodology for building a monocular SLAM system. The objective of this paper is threefold: first, the paper serves as a guideline for people seeking to design their own monocular SLAM according to specific environmental constraints. Second, it presents a survey that covers the various keyframe-based monocular SLAM systems in the literature, detailing the components of their implementation, and critically assessing the specific strategies made in each proposed solution. Third, the paper provides insight into the direction of future research in this field, to address the major limitations still facing monocular SLAM; namely, in the issues of illumination changes, initialization, highly dynamic motion, poorly textured scenes, repetitive textures, map maintenance, and failure recovery

Real-time Monocular Object SLAM

We present a real-time object-based SLAM system that leverages the largest object database to date. Our approach comprises two main components: 1) a monocular SLAM algorithm that exploits object rigidity constraints to improve the map and find its real scale, and 2) a novel object recognition algorithm based on bags of binary words, which provides live detections with a database of 500 3D objects. The two components work together and benefit each other: the SLAM algorithm accumulates information from the observations of the objects, anchors object features to especial map landmarks and sets constrains on the optimization. At the same time, objects partially or fully located within the map are used as a prior to guide the recognition algorithm, achieving higher recall. We evaluate our proposal on five real environments showing improvements on the accuracy of the map and efficiency with respect to other state-of-the-art techniques

A collaborative monocular visual simultaneous localization and mapping solution to generate a semi-dense 3D map.

The utilization and generation of indoor maps are critical in accurate indoor tracking. Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) is one of the main techniques used for such map generation. In SLAM, an agent generates a map of an unknown environment while approximating its own location in it. The prevalence and afford-ability of cameras encourage the use of Monocular Visual SLAM, where a camera is the only sensing device for the SLAM process. In modern applications, multiple mobile agents may be involved in the generation of indoor maps, thus requiring a distributed computational framework. Each agent generates its own local map, which can then be combined with those of other agents into a map covering a larger area. In doing so, they cover a given environment faster than a single agent. Furthermore, they can interact with each other in the same environment, making this framework more practical, especially for collaborative applications such as augmented reality. One of the main challenges of collaborative SLAM is identifying overlapping maps, especially when the relative starting positions of the agents are unknown. We propose a system comprised of multiple monocular agents with unknown relative starting positions to generate a semi-dense global map of the environment

Stereo Visual SLAM for Mobile Robots Navigation

Esta tesis está enfocada a la combinación de los campos de la robótica móvil y la visión por computador, con el objetivo de desarrollar métodos que permitan a un robot móvil localizarse dentro de su entorno mientras construye un mapa del mismo, utilizando como única entrada un conjunto de imágenes. Este problema se denomina SLAM visual (por las siglas en inglés de "Simultaneous Localization And Mapping") y es un tema que aún continúa abierto a pesar del gran esfuerzo investigador realizado en los últimos años. En concreto, en esta tesis utilizamos cámaras estéreo para capturar, simultáneamente, dos imágenes desde posiciones ligeramente diferentes, proporcionando así información 3D de forma directa. De entre los problemas de localización de robots, en esta tesis abordamos dos de ellos: el seguimiento de robots y la localización y mapeado simultáneo (o SLAM). El primero de ellos no tiene en cuenta el mapa del entorno sino que calcula la trayectoria del robot mediante la composición incremental de las estimaciones de su movimiento entre instantes de tiempo consecutivos. Cuando se usan imágenes para calcular esta trayectoria, el problema toma el nombre de "odometría visual", y su resolución es más sencilla que la del SLAM visual. De hecho, a menudo se integra como parte de un sistema de SLAM completo. Esta tesis contribuye con la propuesta de dos sistemas de odometría visual. Uno de ellos está basado en un solución cerrada y eficiente mientras que el otro está basado en un proceso de optimización no-lineal que implementa un nuevo método de detección y eliminación rápida de espurios. Los métodos de SLAM, por su parte, también abordan la construcción de un mapa del entorno con el objetivo de mejorar sensiblemente la localización del robot, evitando de esta forma la acumulación de error en la que incurre la odometría visual. Además, el mapa construido puede ser empleado para hacer frente a situaciones exigentes como la recuperación de la localización tras la pérdida del robot o realizar localización global. En esta tesis se presentan dos sistemas completos de SLAM visual. Uno de ellos se ha implementado dentro del marco de los filtros probabilísticos no parámetricos, mientras que el otro está basado en un método nuevo de "bundle adjustment" relativo que ha sido integrado con algunas técnicas recientes de visión por computador. Otra contribución de esta tesis es la publicación de dos colecciones de datos que contienen imágenes estéreo capturadas en entornos urbanos sin modificar, así como una estimación del camino real del robot basada en GPS (denominada "ground truth"). Estas colecciones sirven como banco de pruebas para validar métodos de odometría y SLAM visual

Long-Term Simultaneous Localization and Mapping in Dynamic Environments.

One of the core competencies required for autonomous mobile robotics is the ability to use sensors to perceive the environment. From this noisy sensor data, the robot must build a representation of the environment and localize itself within this representation. This process, known as simultaneous localization and mapping (SLAM), is a prerequisite for almost all higher-level autonomous behavior in mobile robotics. By associating the robot's sensory observations as it moves through the environment, and by observing the robot's ego-motion through proprioceptive sensors, constraints are placed on the trajectory of the robot and the configuration of the environment. This results in a probabilistic optimization problem to find the most likely robot trajectory and environment configuration given all of the robot's previous sensory experience. SLAM has been well studied under the assumptions that the robot operates for a relatively short time period and that the environment is essentially static during operation. However, performing SLAM over long time periods while modeling the dynamic changes in the environment remains a challenge. The goal of this thesis is to extend the capabilities of SLAM to enable long-term autonomous operation in dynamic environments. The contribution of this thesis has three main components: First, we propose a framework for controlling the computational complexity of the SLAM optimization problem so that it does not grow unbounded with exploration time. Second, we present a method to learn visual feature descriptors that are more robust to changes in lighting, allowing for improved data association in dynamic environments. Finally, we use the proposed tools in SLAM systems that explicitly models the dynamics of the environment in the map by representing each location as a set of example views that capture how the location changes with time. We experimentally demonstrate that the proposed methods enable long-term SLAM in dynamic environments using a large, real-world vision and LIDAR dataset collected over the course of more than a year. This dataset captures a wide variety of dynamics: from short-term scene changes including moving people, cars, changing lighting, and weather conditions; to long-term dynamics including seasonal conditions and structural changes caused by construction.PhDElectrical Engineering: SystemsUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/111538/1/carlevar_1.pd

Exploiting Points and Lines in Regression Forests for RGB-D Camera Relocalization

Camera relocalization plays a vital role in many robotics and computer vision tasks, such as global localization, recovery from tracking failure and loop closure detection. Recent random forests based methods exploit randomly sampled pixel comparison features to predict 3D world locations for 2D image locations to guide the camera pose optimization. However, these image features are only sampled randomly in the images, without considering the spatial structures or geometric information, leading to large errors or failure cases with the existence of poorly textured areas or in motion blur. Line segment features are more robust in these environments. In this work, we propose to jointly exploit points and lines within the framework of uncertainty driven regression forests. The proposed approach is thoroughly evaluated on three publicly available datasets against several strong state-of-the-art baselines in terms of several different error metrics. Experimental results prove the efficacy of our method, showing superior or on-par state-of-the-art performance.Comment: published as a conference paper at 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS

Omnidirectional Vision Based Topological Navigation

Goedemé T., Van Gool L., ''Omnidirectional vision based topological navigation'', Mobile robots navigation, pp. 172-196, Barrera Alejandra, ed., March 2010, InTech.status: publishe

Place and Object Recognition for Real-time Visual Mapping

Este trabajo aborda dos de las principales dificultades presentes en los sistemas actuales de localización y creación de mapas de forma simultánea (del inglés Simultaneous Localization And Mapping, SLAM): el reconocimiento de lugares ya visitados para cerrar bucles en la trajectoria y crear mapas precisos, y el reconocimiento de objetos para enriquecer los mapas con estructuras de alto nivel y mejorar la interación entre robots y personas. En SLAM visual, las características que se extraen de las imágenes de una secuencia de vídeo se van acumulando con el tiempo, haciendo más laboriosos dos de los aspectos de la detección de bucles: la eliminación de los bucles incorrectos que se detectan entre lugares que tienen una apariencia muy similar, y conseguir un tiempo de ejecución bajo y factible en trayectorias largas. En este trabajo proponemos una técnica basada en vocabularios visuales y en bolsas de palabras para detectar bucles de manera robusta y eficiente, centrándonos en dos ideas principales: 1) aprovechar el origen secuencial de las imágenes de vídeo, y 2) hacer que todo el proceso pueda funcionar a frecuencia de vídeo. Para beneficiarnos del origen secuencial de las imágenes, presentamos una métrica de similaridad normalizada para medir el parecido entre imágenes e incrementar la distintividad de las detecciones correctas. A su vez, agrupamos los emparejamientos de imágenes candidatas a ser bucle para evitar que éstas compitan cuando realmente fueron tomadas desde el mismo lugar. Finalmente, incorporamos una restricción temporal para comprobar la coherencia entre detecciones consecutivas. La eficiencia se logra utilizando índices inversos y directos y características binarias. Un índice inverso acelera la comparación entre imágenes de lugares, y un índice directo, el cálculo de correspondencias de puntos entre éstas. Por primera vez, en este trabajo se han utilizado características binarias para detectar bucles, dando lugar a una solución viable incluso hasta para decenas de miles de imágenes. Los bucles se verifican comprobando la coherencia de la geometría de las escenas emparejadas. Para ello utilizamos varios métodos robustos que funcionan tanto con una como con múltiples cámaras. Presentamos resultados competitivos y sin falsos positivos en distintas secuencias, con imágenes adquiridas tanto a alta como a baja frecuencia, con cámaras frontales y laterales, y utilizando el mismo vocabulario y la misma configuración. Con descriptores binarios, el sistema completo requiere 22 milisegundos por imagen en una secuencia de 26.300 imágenes, resultando un orden de magnitud más rápido que otras técnicas actuales. Se puede utilizar un algoritmo similar al de reconocimiento de lugares para resolver el reconocimiento de objetos en SLAM visual. Detectar objetos en este contexto es particularmente complicado debido a que las distintas ubicaciones, posiciones y tamaños en los que se puede ver un objeto en una imagen son potencialmente infinitos, por lo que suelen ser difíciles de distinguir. Además, esta complejidad se multiplica cuando la comparación ha de hacerse contra varios objetos 3D. Nuestro esfuerzo en este trabajo está orientado a: 1) construir el primer sistema de SLAM visual que puede colocar objectos 3D reales en el mapa, y 2) abordar los problemas de escalabilidad resultantes al tratar con múltiples objetos y vistas de éstos. En este trabajo, presentamos el primer sistema de SLAM monocular que reconoce objetos 3D, los inserta en el mapa y refina su posición en el espacio 3D a medida que el mapa se va construyendo, incluso cuando los objetos dejan de estar en el campo de visión de la cámara. Esto se logra en tiempo real con modelos de objetos compuestos por información tridimensional y múltiples imágenes representando varios puntos de vista del objeto. Después nos centramos en la escalabilidad de la etapa del reconocimiento de los objetos 3D. Presentamos una técnica rápida para segmentar imágenes en regiones de interés para detectar objetos pequeños o lejanos. Tras ello, proponemos sustituir el modelo de objetos de vistas independientes por un modelado con una única bolsa de palabras de características binarias asociadas a puntos 3D. Creamos también una base de datos que incorpora índices inversos y directos para aprovechar sus ventajas a la hora de recuperar rápidamente tanto objetos candidatos a ser detectados como correspondencias de puntos, tal y como hacían en el caso de la detección de bucles. Los resultados experimentales muestran que nuestro sistema funciona en tiempo real en un entorno de escritorio con cámara en mano y en una habitación con una cámara montada sobre un robot autónomo. Las mejoras en el proceso de reconocimiento obtienen resultados satisfactorios, sin detecciones erróneas y con un tiempo de ejecución medio de 28 milisegundos por imagen con una base de datos de 20 objetos 3D