Dense Piecewise Planar RGB-D SLAM for Indoor Environments

The paper exploits weak Manhattan constraints to parse the structure of indoor environments from RGB-D video sequences in an online setting. We extend the previous approach for single view parsing of indoor scenes to video sequences and formulate the problem of recovering the floor plan of the environment as an optimal labeling problem solved using dynamic programming. The temporal continuity is enforced in a recursive setting, where labeling from previous frames is used as a prior term in the objective function. In addition to recovery of piecewise planar weak Manhattan structure of the extended environment, the orthogonality constraints are also exploited by visual odometry and pose graph optimization. This yields reliable estimates in the presence of large motions and absence of distinctive features to track. We evaluate our method on several challenging indoors sequences demonstrating accurate SLAM and dense mapping of low texture environments. On existing TUM benchmark we achieve competitive results with the alternative approaches which fail in our environments.Comment: International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) 201

Pop-up SLAM: Semantic Monocular Plane SLAM for Low-texture Environments

Existing simultaneous localization and mapping (SLAM) algorithms are not robust in challenging low-texture environments because there are only few salient features. The resulting sparse or semi-dense map also conveys little information for motion planning. Though some work utilize plane or scene layout for dense map regularization, they require decent state estimation from other sources. In this paper, we propose real-time monocular plane SLAM to demonstrate that scene understanding could improve both state estimation and dense mapping especially in low-texture environments. The plane measurements come from a pop-up 3D plane model applied to each single image. We also combine planes with point based SLAM to improve robustness. On a public TUM dataset, our algorithm generates a dense semantic 3D model with pixel depth error of 6.2 cm while existing SLAM algorithms fail. On a 60 m long dataset with loops, our method creates a much better 3D model with state estimation error of 0.67%.Comment: International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) 201

RGBDTAM: A Cost-Effective and Accurate RGB-D Tracking and Mapping System

Simultaneous Localization and Mapping using RGB-D cameras has been a fertile research topic in the latest decade, due to the suitability of such sensors for indoor robotics. In this paper we propose a direct RGB-D SLAM algorithm with state-of-the-art accuracy and robustness at a los cost. Our experiments in the RGB-D TUM dataset [34] effectively show a better accuracy and robustness in CPU real time than direct RGB-D SLAM systems that make use of the GPU. The key ingredients of our approach are mainly two. Firstly, the combination of a semi-dense photometric and dense geometric error for the pose tracking (see Figure 1), which we demonstrate to be the most accurate alternative. And secondly, a model of the multi-view constraints and their errors in the mapping and tracking threads, which adds extra information over other approaches. We release the open-source implementation of our approach 1 . The reader is referred to a video with our results 2 for a more illustrative visualization of its performance

Aprendizaje de estructuras 3D a partir de secuencias de imágenes

La reconstrucción 3D densa a partir de secuencias monoculares es una tecnología clave para varias aplicaciones y todavía un problema de investigación abierto. Este trabajo aprovecha resultados recientes en estimación de profundidad a partir de una sola vista utilizando CNN (Redes neuronales convolucionales) y los fusiona con la estimación de un método directo multi-vista. Ambas aproximaciones muestran fortalezas complementarias. Primero, los métodos basados en múltiples vistas son muy precisos en zonas con mucha textura en secuencias de alto paralaje. Segundo, el método que estima la profundidad a partir de una imagen captura muy bien la estructura local, incluidas las áreas sin textura, aunque carece de coherencia global. La fusión de estas dos estimaciones que proponemos tiene varios retos. En primer lugar, las dos profundidades están relacionadas por una deformación no rígida que depende en el contenido de la imagen. Y en segundo, la selección de los puntos de alta precisión del método multi-vista puede ser complicada en configuraciones de bajo paralaje. Presentamos una contribución a los dos problemas. Nuestros resultados en los conjuntos de datos públicos de NYU y TUM muestran que nuestro algoritmo mejora a las dos aproximaciones por separado

Deep Learning for 3D Visual Perception

La percepción visual 3D se refiere al conjunto de problemas que engloban la reunión de información a través de un sensor visual y la estimación la posición tridimensional y estructura de los objetos y formaciones al rededor del sensor. Algunas funcionalidades como la estimación de la ego moción o construcción de mapas are esenciales para otras tareas de más alto nivel como conducción autónoma o realidad aumentada. En esta tesis se han atacado varios desafíos en la percepción 3D, todos ellos útiles desde la perspectiva de SLAM (Localización y Mapeo Simultáneos) que en si es un problema de percepción 3D.Localización y Mapeo Simultáneos –SLAM– busca realizar el seguimiento de la posición de un dispositivo (por ejemplo de un robot, un teléfono o unas gafas de realidad virtual) con respecto al mapa que está construyendo simultáneamente mientras la plataforma explora el entorno. SLAM es una tecnología muy relevante en distintas aplicaciones como realidad virtual, realidad aumentada o conducción autónoma. SLAM Visual es el termino utilizado para referirse al problema de SLAM resuelto utilizando unicamente sensores visuales. Muchas de las piezas del sistema ideal de SLAM son, hoy en día, bien conocidas, maduras y en muchos casos presentes en aplicaciones. Sin embargo, hay otras piezas que todavía presentan desafíos de investigación significantes. En particular, en los que hemos trabajado en esta tesis son la estimación de la estructura 3D al rededor de una cámara a partir de una sola imagen, reconocimiento de lugares ya visitados bajo cambios de apariencia drásticos, reconstrucción de alto nivel o SLAM en entornos dinámicos; todos ellos utilizando redes neuronales profundas.Estimación de profundidad monocular is la tarea de percibir la distancia a la cámara de cada uno de los pixeles en la imagen, utilizando solo la información que obtenemos de una única imagen. Este es un problema mal condicionado, y por lo tanto es muy difícil de inferir la profundidad exacta de los puntos en una sola imagen. Requiere conocimiento de lo que se ve y del sensor que utilizamos. Por ejemplo, si podemos saber que un modelo de coche tiene cierta altura y también sabemos el tipo de cámara que hemos utilizado (distancia focal, tamaño de pixel...); podemos decir que si ese coche tiene cierta altura en la imagen, por ejemplo 50 pixeles, esta a cierta distancia de la cámara. Para ello nosotros presentamos el primer trabajo capaz de estimar profundidad a partir de una sola vista que es capaz de obtener un funcionamiento razonable con múltiples tipos de cámara; como un teléfono o una cámara de video.También presentamos como estimar, utilizando una sola imagen, la estructura de una habitación o el plan de la habitación. Para este segundo trabajo, aprovechamos imágenes esféricas tomadas por una cámara panorámica utilizando una representación equirectangular. Utilizando estas imágenes recuperamos el plan de la habitación, nuestro objetivo es reconocer las pistas en la imagen que definen la estructura de una habitación. Nos centramos en recuperar la versión más simple, que son las lineas que separan suelo, paredes y techo.Localización y mapeo a largo plazo requiere dar solución a los cambios de apariencia en el entorno; el efecto que puede tener en una imagen tomarla en invierno o verano puede ser muy grande. Introducimos un modelo multivista invariante a cambios de apariencia que resuelve el problema de reconocimiento de lugares de forma robusta. El reconocimiento de lugares visual trata de identificar un lugar que ya hemos visitado asociando pistas visuales que se ven en las imágenes; la tomada en el pasado y la tomada en el presente. Lo preferible es ser invariante a cambios en punto de vista, iluminación, objetos dinámicos y cambios de apariencia a largo plazo como el día y la noche, las estaciones o el clima.Para tener funcionalidad a largo plazo también presentamos DynaSLAM, un sistema de SLAM que distingue las partes estáticas y dinámicas de la escena. Se asegura de estimar su posición unicamente basándose en las partes estáticas y solo reconstruye el mapa de las partes estáticas. De forma que si visitamos una escena de nuevo, nuestro mapa no se ve afectado por la presencia de nuevos objetos dinámicos o la desaparición de los anteriores.En resumen, en esta tesis contribuimos a diferentes problemas de percepción 3D; todos ellos resuelven problemas del SLAM Visual.<br /

Room layout estimation on mobile devices

Room layout generation is the problem of generating a drawing or a digital model of an existing room from a set of measurements such as laser data or images. The generation of floor plans can find application in the building industry to assess the quality and the correctness of an ongoing construction w.r.t. the initial model, or to quickly sketch the renovation of an apartment. Real estate industry can rely on automatic generation of floor plans to ease the process of checking the livable surface and to propose virtual visits to prospective customers. As for the general public, the room layout can be integrated into mixed reality games to provide a better immersiveness experience, or used in other related augmented reality applications such room redecoration. The goal of this industrial thesis (CIFRE) is to investigate and take advantage of the state-of-the art mobile devices in order to automate the process of generating room layouts. Nowadays, modern mobile devices usually come a wide range of sensors, such as inertial motion unit (IMU), RGB cameras and, more recently, depth cameras. Moreover, tactile touchscreens offer a natural and simple way to interact with the user, thus favoring the development of interactive applications, in which the user can be part of the processing loop. This work aims at exploiting the richness of such devices to address the room layout generation problem. The thesis has three major contributions. We first show how the classic problem of detecting vanishing points in an image can benefit from an a-priori given by the IMU sensor. We propose a simple and effective algorithm for detecting vanishing points relying on the gravity vector estimated by the IMU. A new public dataset containing images and the relevant IMU data is introduced to help assessing vanishing point algorithms and foster further studies in the field. As a second contribution, we explored the state of-the-art of real-time localization and map optimization algorithms for RGB-D sensors. Real-time localization is a fundamental task to enable augmented reality applications, and thus it is a critical component when designing interactive applications. We propose an evaluation of existing algorithms for the common desktop set-up in order to be employed on a mobile device. For each considered method, we assess the accuracy of the localization as well as the computational performances when ported on a mobile device. Finally, we present a proof of concept of application able to generate the room layout relying on a Project Tango tablet equipped with an RGB-D sensor. In particular, we propose an algorithm that incrementally processes and fuses the 3D data provided by the sensor in order to obtain the layout of the room. We show how our algorithm can rely on the user interactions in order to correct the generated 3D model during the acquisition process