Classification and Change Detection in Mobile Mapping LiDAR Point Clouds

Creating 3D models of the static environment is an important task for the advancement of driver assistance systems and autonomous driving. In this work, a static reference map is created from a Mobile Mapping “light detection and ranging” (LiDAR) dataset. The data was obtained in 14 measurement runs from March to October 2017 in Hannover and consists in total of about 15 billion points. The point cloud data are first segmented by region growing and then processed by a random forest classification, which divides the segments into the five static classes (“facade”, “pole”, “fence”, “traffic sign”, and “vegetation”) and three dynamic classes (“vehicle”, “bicycle”, “person”) with an overall accuracy of 94%. All static objects are entered into a voxel grid, to compare different measurement epochs directly. In the next step, the classified voxels are combined with the result of a visibility analysis. Therefore, we use a ray tracing algorithm to detect traversed voxels and differentiate between empty space and occlusion. Each voxel is classified as suitable for the static reference map or not by its object class and its occupation state during different epochs. Thereby, we avoid to eliminate static voxels which were occluded in some of the measurement runs (e.g. parts of a building occluded by a tree). However, segments that are only temporarily present and connected to static objects, such as scaffolds or awnings on buildings, are not included in the reference map. Overall, the combination of the classification with the subsequent entry of the classes into a voxel grid provides good and useful results that can be updated by including new measurement data

Mesh-based 3D Textured Urban Mapping

In the era of autonomous driving, urban mapping represents a core step to let vehicles interact with the urban context. Successful mapping algorithms have been proposed in the last decade building the map leveraging on data from a single sensor. The focus of the system presented in this paper is twofold: the joint estimation of a 3D map from lidar data and images, based on a 3D mesh, and its texturing. Indeed, even if most surveying vehicles for mapping are endowed by cameras and lidar, existing mapping algorithms usually rely on either images or lidar data; moreover both image-based and lidar-based systems often represent the map as a point cloud, while a continuous textured mesh representation would be useful for visualization and navigation purposes. In the proposed framework, we join the accuracy of the 3D lidar data, and the dense information and appearance carried by the images, in estimating a visibility consistent map upon the lidar measurements, and refining it photometrically through the acquired images. We evaluate the proposed framework against the KITTI dataset and we show the performance improvement with respect to two state of the art urban mapping algorithms, and two widely used surface reconstruction algorithms in Computer Graphics.Comment: accepted at iros 201

Contributions to Intelligent Scene Understanding of Unstructured Environments from 3D lidar sensors

Además, la viabilidad de este enfoque es evaluado mediante la implementación de cuatro tipos de clasificadores de aprendizaje supervisado encontrados en métodos de procesamiento de escenas: red neuronal, máquina de vectores de soporte, procesos gaussianos, y modelos de mezcla gaussiana. La segmentación de objetos es un paso más allá hacia el entendimiento de escena, donde conjuntos de puntos 3D correspondientes al suelo y otros objetos de la escena son aislados. La tesis propone nuevas contribuciones a la segmentación de nubes de puntos basados en mapas de vóxeles caracterizados geométricamente. En concreto, la metodología propuesta se compone de dos pasos: primero, una segmentación del suelo especialmente diseñado para entornos naturales; y segundo, el posterior aislamiento de objetos individuales. Además, el método de segmentación del suelo es integrado en una nueva técnica de mapa de navegabilidad basado en cuadrícula de ocupación el cuál puede ser apropiado para robots móviles en entornos naturales. El diseño y desarrollo de un nuevo y asequible sensor lidar 3D de alta resolución también se ha propuesto en la tesis. Los nuevos MBLs, tales como los desarrollados por Velodyne, están siendo cada vez más un tipo de sensor 3D asequible y popular que ofrece alto ratio de datos en un campo de visión vertical (FOV) limitado. El diseño propuesto consiste en una plataforma giratoria que mejora la resolución y el FOV vertical de un Velodyne VLP-16 de 16 haces. Además, los complejos patrones de escaneo producidos por configuraciones de MBL que rotan se analizan tanto en simulaciones de esfera hueca como en escáneres reales en entornos representativos. Fecha de Lectura de Tesis: 11 de julio 2018.Ingeniería de Sistemas y Automática Resumen tesis: Los sensores lidar 3D son una tecnología clave para navegación, localización, mapeo y entendimiento de escenas en vehículos no tripulados y robots móviles. Esta tecnología, que provee nubes de puntos densas, puede ser especialmente adecuada para nuevas aplicaciones en entornos naturales o desestructurados, tales como búsqueda y rescate, exploración planetaria, agricultura, o exploración fuera de carretera. Esto es un desafío como área de investigación que incluye disciplinas que van desde el diseño de sensor a la inteligencia artificial o el aprendizaje automático (machine learning). En este contexto, esta tesis propone contribuciones al entendimiento inteligente de escenas en entornos desestructurados basado en medidas 3D de distancia a nivel del suelo. En concreto, las contribuciones principales incluyen nuevas metodologías para la clasificación de características espaciales, segmentación de objetos, y evaluación de navegabilidad en entornos naturales y urbanos, y también el diseño y desarrollo de un nuevo lidar rotatorio multi-haz (MBL). La clasificación de características espaciales es muy relevante porque es extensamente requerida como un paso fundamental previo a los problemas de entendimiento de alto nivel de una escena. Las contribuciones de la tesis en este respecto tratan de mejorar la eficacia, tanto en carga computacional como en precisión, de clasificación de aprendizaje supervisado de características de forma espacial (forma tubular, plana o difusa) obtenida mediante el análisis de componentes principales (PCA). Esto se ha conseguido proponiendo un concepto eficiente de vecindario basado en vóxel en una contribución original que define los procedimientos de aprendizaje “offline” y clasificación “online” a la vez que cinco definiciones alternativas de vectores de características basados en PCA

Indoor Mapping and Reconstruction with Mobile Augmented Reality Sensor Systems

Augmented Reality (AR) ermöglicht es, virtuelle, dreidimensionale Inhalte direkt innerhalb der realen Umgebung darzustellen. Anstatt jedoch beliebige virtuelle Objekte an einem willkürlichen Ort anzuzeigen, kann AR Technologie auch genutzt werden, um Geodaten in situ an jenem Ort darzustellen, auf den sich die Daten beziehen. Damit eröffnet AR die Möglichkeit, die reale Welt durch virtuelle, ortbezogene Informationen anzureichern. Im Rahmen der vorliegenen Arbeit wird diese Spielart von AR als "Fused Reality" definiert und eingehend diskutiert. Der praktische Mehrwert, den dieses Konzept der Fused Reality bietet, lässt sich gut am Beispiel seiner Anwendung im Zusammenhang mit digitalen Gebäudemodellen demonstrieren, wo sich gebäudespezifische Informationen - beispielsweise der Verlauf von Leitungen und Kabeln innerhalb der Wände - lagegerecht am realen Objekt darstellen lassen. Um das skizzierte Konzept einer Indoor Fused Reality Anwendung realisieren zu können, müssen einige grundlegende Bedingungen erfüllt sein. So kann ein bestimmtes Gebäude nur dann mit ortsbezogenen Informationen augmentiert werden, wenn von diesem Gebäude ein digitales Modell verfügbar ist. Zwar werden größere Bauprojekt heutzutage oft unter Zuhilfename von Building Information Modelling (BIM) geplant und durchgeführt, sodass ein digitales Modell direkt zusammen mit dem realen Gebäude ensteht, jedoch sind im Falle älterer Bestandsgebäude digitale Modelle meist nicht verfügbar. Ein digitales Modell eines bestehenden Gebäudes manuell zu erstellen, ist zwar möglich, jedoch mit großem Aufwand verbunden. Ist ein passendes Gebäudemodell vorhanden, muss ein AR Gerät außerdem in der Lage sein, die eigene Position und Orientierung im Gebäude relativ zu diesem Modell bestimmen zu können, um Augmentierungen lagegerecht anzeigen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit werden diverse Aspekte der angesprochenen Problematik untersucht und diskutiert. Dabei werden zunächst verschiedene Möglichkeiten diskutiert, Indoor-Gebäudegeometrie mittels Sensorsystemen zu erfassen. Anschließend wird eine Untersuchung präsentiert, inwiefern moderne AR Geräte, die in der Regel ebenfalls über eine Vielzahl an Sensoren verfügen, ebenfalls geeignet sind, als Indoor-Mapping-Systeme eingesetzt zu werden. Die resultierenden Indoor Mapping Datensätze können daraufhin genutzt werden, um automatisiert Gebäudemodelle zu rekonstruieren. Zu diesem Zweck wird ein automatisiertes, voxel-basiertes Indoor-Rekonstruktionsverfahren vorgestellt. Dieses wird außerdem auf der Grundlage vierer zu diesem Zweck erfasster Datensätze mit zugehörigen Referenzdaten quantitativ evaluiert. Desweiteren werden verschiedene Möglichkeiten diskutiert, mobile AR Geräte innerhalb eines Gebäudes und des zugehörigen Gebäudemodells zu lokalisieren. In diesem Kontext wird außerdem auch die Evaluierung einer Marker-basierten Indoor-Lokalisierungsmethode präsentiert. Abschließend wird zudem ein neuer Ansatz, Indoor-Mapping Datensätze an den Achsen des Koordinatensystems auszurichten, vorgestellt

Semantic segmentation of outdoor scenes using LIDAR cloud point

In this paper we present a novel street scene semantic recognition framework, which takes advantage of 3D point clouds captured by a high definition LiDAR laser scanner. An important problem in object recognition is the need for sufficient labeled training data to learn robust classifiers. In this paper we show how to significantly re-duce the need for manually labeled training data by reduction of scene complexity using non-supervised ground and building segmentation. Our system first automatically seg-ments grounds point cloud, this is because the ground connects almost all other objects and we will use a connect component based algorithm to over segment the point clouds. Then, using binary range image processing building facades will be detected. Remained point cloud will grouped into voxels which are then transformed to super voxels. Local 3D features extracted from super voxels are classified by trained boosted decision trees and labeled with semantic classes e.g. tree, pedestrian, car. Given labeled 3D points cloud and 2D image with known viewing camera pose, the proposed association module aligned collections of 3D points to the groups of 2D image pixel to parsing 2D cubic images. One noticeable advantage of our method is the robustness to different lighting condition, shadows and city landscape. The proposed method is evaluated both quantitatively and qualitatively on a challenging fixed-position Terrestrial Laser Scanning (TLS) Velodyne data set and Mobile Laser Scanning (MLS), NAVTEQ True databases. Robust scene parsing results are reported

Automated 3D scene reconstruction from open geospatial data sources: airborne laser scanning and a 2D topographic database

Open geospatial data sources provide opportunities for low cost 3D scene reconstruction. In this study, based on a sparse airborne laser scanning (ALS) point cloud (0.8 points/m2) obtained from open source databases, a building reconstruction pipeline for CAD building models was developed. The pipeline includes voxel-based roof patch segmentation, extraction of the key-points representing the roof patch outline, step edge identification and adjustment, and CAD building model generation. The advantages of our method lie in generating CAD building models without the step of enforcing the edges to be parallel or building regularization. Furthermore, although it has been challenging to use sparse datasets for 3D building reconstruction, our result demonstrates the great potential in such applications. In this paper, we also investigated the applicability of open geospatial datasets for 3D road detection and reconstruction. Road central lines were acquired from an open source 2D topographic database. ALS data were utilized to obtain the height and width of the road. A constrained search method (CSM) was developed for road width detection. The CSM method was conducted by splitting a given road into patches according to height and direction criteria. The road edges were detected patch by patch. The road width was determined by the average distance from the edge points to the central line. As a result, 3D roads were reconstructed from ALS and a topographic database