Vision-based localization methods under GPS-denied conditions

This paper reviews vision-based localization methods in GPS-denied environments and classifies the mainstream methods into Relative Vision Localization (RVL) and Absolute Vision Localization (AVL). For RVL, we discuss the broad application of optical flow in feature extraction-based Visual Odometry (VO) solutions and introduce advanced optical flow estimation methods. For AVL, we review recent advances in Visual Simultaneous Localization and Mapping (VSLAM) techniques, from optimization-based methods to Extended Kalman Filter (EKF) based methods. We also introduce the application of offline map registration and lane vision detection schemes to achieve Absolute Visual Localization. This paper compares the performance and applications of mainstream methods for visual localization and provides suggestions for future studies.Comment: 32 pages, 15 figure

Cross-View Visual Geo-Localization for Outdoor Augmented Reality

Precise estimation of global orientation and location is critical to ensure a compelling outdoor Augmented Reality (AR) experience. We address the problem of geo-pose estimation by cross-view matching of query ground images to a geo-referenced aerial satellite image database. Recently, neural network-based methods have shown state-of-the-art performance in cross-view matching. However, most of the prior works focus only on location estimation, ignoring orientation, which cannot meet the requirements in outdoor AR applications. We propose a new transformer neural network-based model and a modified triplet ranking loss for joint location and orientation estimation. Experiments on several benchmark cross-view geo-localization datasets show that our model achieves state-of-the-art performance. Furthermore, we present an approach to extend the single image query-based geo-localization approach by utilizing temporal information from a navigation pipeline for robust continuous geo-localization. Experimentation on several large-scale real-world video sequences demonstrates that our approach enables high-precision and stable AR insertion.Comment: IEEE VR 202

Robust Localization in 3D Prior Maps for Autonomous Driving.

In order to navigate autonomously, many self-driving vehicles require precise localization within an a priori known map that is annotated with exact lane locations, traffic signs, and additional metadata that govern the rules of the road. This approach transforms the extremely difficult and unpredictable task of online perception into a more structured localization problem—where exact localization in these maps provides the autonomous agent a wealth of knowledge for safe navigation. This thesis presents several novel localization algorithms that leverage a high-fidelity three-dimensional (3D) prior map that together provide a robust and reliable framework for vehicle localization. First, we present a generic probabilistic method for localizing an autonomous vehicle equipped with a 3D light detection and ranging (LIDAR) scanner. This proposed algorithm models the world as a mixture of several Gaussians, characterizing the z-height and reflectivity distribution of the environment—which we rasterize to facilitate fast and exact multiresolution inference. Second, we propose a visual localization strategy that replaces the expensive 3D LIDAR scanners with significantly cheaper, commodity cameras. In doing so, we exploit a graphics processing unit to generate synthetic views of our belief environment, resulting in a localization solution that achieves a similar order of magnitude error rate with a sensor that is several orders of magnitude cheaper. Finally, we propose a visual obstacle detection algorithm that leverages knowledge of our high-fidelity prior maps in its obstacle prediction model. This not only provides obstacle awareness at high rates for vehicle navigation, but also improves our visual localization quality as we are cognizant of static and non-static regions of the environment. All of these proposed algorithms are demonstrated to be real-time solutions for our self-driving car.PhDComputer Science and EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/133410/1/rwolcott_1.pd

Topological place recognition for life-long visual localization

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2016-2017La navegación de vehículos inteligentes o robots móviles en períodos largos de tiempo ha experimentado un gran interés por parte de la comunidad investigadora en los últimos años. Los sistemas basados en cámaras se han extendido ampliamente en el pasado reciente gracias a las mejoras en sus características, precio y reducción de tamaño, añadidos a los progresos en técnicas de visión artificial. Por ello, la localización basada en visión es una aspecto clave para desarrollar una navegación autónoma robusta en situaciones a largo plazo. Teniendo en cuenta esto, la identificación de localizaciones por medio de técnicas de reconocimiento de lugar topológicas puede ser complementaria a otros enfoques como son las soluciones basadas en el Global Positioning System (GPS), o incluso suplementaria cuando la señal GPS no está disponible.El estado del arte en reconocimiento de lugar topológico ha mostrado un funcionamiento satisfactorio en el corto plazo. Sin embargo, la localización visual a largo plazo es problemática debido a los grandes cambios de apariencia que un lugar sufre como consecuencia de elementos dinámicos, la iluminación o la climatología, entre otros. El objetivo de esta tesis es enfrentarse a las dificultades de llevar a cabo una localización topológica eficiente y robusta a lo largo del tiempo. En consecuencia, se van a contribuir dos nuevos enfoques basados en reconocimiento visual de lugar para resolver los diferentes problemas asociados a una localización visual a largo plazo. Por un lado, un método de reconocimiento de lugar visual basado en descriptores binarios es propuesto. La innovación de este enfoque reside en la descripción global de secuencias de imágenes como códigos binarios, que son extraídos mediante un descriptor basado en la técnica denominada Local Difference Binary (LDB). Los descriptores son eficientemente asociados usando la distancia de Hamming y un método de búsqueda conocido como Approximate Nearest Neighbors (ANN). Además, una técnica de iluminación invariante es aplicada para mejorar el funcionamiento en condiciones luminosas cambiantes. El empleo de la descripción binaria previamente introducida proporciona una reducción de los costes computacionales y de memoria.Por otro lado, también se presenta un método de reconocimiento de lugar visual basado en deep learning, en el cual los descriptores aplicados son procesados por una Convolutional Neural Network (CNN). Este es un concepto recientemente popularizado en visión artificial que ha obtenido resultados impresionantes en problemas de clasificación de imagen. La novedad de nuestro enfoque reside en la fusión de la información de imagen de múltiples capas convolucionales a varios niveles y granularidades. Además, los datos redundantes de los descriptores basados en CNNs son comprimidos en un número reducido de bits para una localización más eficiente. El descriptor final es condensado aplicando técnicas de compresión y binarización para realizar una asociación usando de nuevo la distancia de Hamming. En términos generales, los métodos centrados en CNNs mejoran la precisión generando representaciones visuales de las localizaciones más detalladas, pero son más costosos en términos de computación.Ambos enfoques de reconocimiento de lugar visual son extensamente evaluados sobre varios datasets públicos. Estas pruebas arrojan una precisión satisfactoria en situaciones a largo plazo, como es corroborado por los resultados mostrados, que comparan nuestros métodos contra los principales algoritmos del estado del arte, mostrando mejores resultados para todos los casos.Además, también se ha analizado la aplicabilidad de nuestro reconocimiento de lugar topológico en diferentes problemas de localización. Estas aplicaciones incluyen la detección de cierres de lazo basada en los lugares reconocidos o la corrección de la deriva acumulada en odometría visual usando la información proporcionada por los cierres de lazo. Asimismo, también se consideran las aplicaciones de la detección de cambios geométricos a lo largo de las estaciones del año, que son esenciales para las actualizaciones de los mapas en sistemas de conducción autónomos centrados en una operación a largo plazo. Todas estas contribuciones son discutidas al final de la tesis, incluyendo varias conclusiones sobre el trabajo presentado y líneas de investigación futuras

Towards Robust Visual Localization in Challenging Conditions

Visual localization is a fundamental problem in computer vision, with a multitude of applications in robotics, augmented reality and structure-from-motion. The basic problem is to, based on one or more images, figure out the position and orientation of the camera which captured these images relative to some model of the environment. Current visual localization approaches typically work well when the images to be localized are captured under similar conditions compared to those captured during mapping. However, when the environment exhibits large changes in visual appearance, due to e.g. variations in weather, seasons, day-night or viewpoint, the traditional pipelines break down. The reason is that the local image features used are based on low-level pixel-intensity information, which is not invariant to these transformations: when the environment changes, this will cause a different set of keypoints to be detected, and their descriptors will be different, making the long-term visual localization problem a challenging one. In this thesis, five papers are included, which present work towards solving the problem of long-term visual localization. Two of the articles present ideas for how semantic information may be included to aid in the localization process: one approach relies only on the semantic information for visual localization, and the other shows how the semantics can be used to detect outlier feature correspondences. The third paper considers how the output from a monocular depth-estimation network can be utilized to extract features that are less sensitive to viewpoint changes. The fourth article is a benchmark paper, where we present three new benchmark datasets aimed at evaluating localization algorithms in the context of long-term visual localization. Lastly, the fifth article considers how to perform convolutions on spherical imagery, which in the future might be applied to learning local image features for the localization problem