Vehicle Tracking and Motion Estimation Based on Stereo Vision Sequences

In this dissertation, a novel approach for estimating trajectories of road vehicles such as cars, vans, or motorbikes, based on stereo image sequences is presented. Moving objects are detected and reliably tracked in real-time from within a moving car. The resulting information on the pose and motion state of other moving objects with respect to the own vehicle is an essential basis for future driver assistance and safety systems, e.g., for collision prediction. The focus of this contribution is on oncoming traffic, while most existing work in the literature addresses tracking the lead vehicle. The overall approach is generic and scalable to a variety of traffic scenes including inner city, country road, and highway scenarios. A considerable part of this thesis addresses oncoming traffic at urban intersections. The parameters to be estimated include the 3D position and orientation of an object relative to the ego-vehicle, as well as the object's shape, dimension, velocity, acceleration and the rotational velocity (yaw rate). The key idea is to derive these parameters from a set of tracked 3D points on the object's surface, which are registered to a time-consistent object coordinate system, by means of an extended Kalman filter. Combining the rigid 3D point cloud model with the dynamic model of a vehicle is one main contribution of this thesis. Vehicle tracking at intersections requires covering a wide range of different object dynamics, since vehicles can turn quickly. Three different approaches for tracking objects during highly dynamic turn maneuvers up to extreme maneuvers such as skidding are presented and compared. These approaches allow for an online adaptation of the filter parameter values, overcoming manual parameter tuning depending on the dynamics of the tracked object in the scene. This is the second main contribution. Further issues include the introduction of two initialization methods, a robust outlier handling, a probabilistic approach for assigning new points to a tracked object, as well as mid-level fusion of the vision-based approach with a radar sensor. The overall system is systematically evaluated both on simulated and real-world data. The experimental results show the proposed system is able to accurately estimate the object pose and motion parameters in a variety of challenging situations, including night scenes, quick turn maneuvers, and partial occlusions. The limits of the system are also carefully investigated.In dieser Dissertation wird ein Ansatz zur Trajektorienschätzung von Straßenfahrzeugen (PKW, Lieferwagen, Motorräder,...) anhand von Stereo-Bildfolgen vorgestellt. Bewegte Objekte werden in Echtzeit aus einem fahrenden Auto heraus automatisch detektiert, vermessen und deren Bewegungszustand relativ zum eigenen Fahrzeug zuverlässig bestimmt. Die gewonnenen Informationen liefern einen entscheidenden Grundstein für zukünftige Fahrerassistenz- und Sicherheitssysteme im Automobilbereich, beispielsweise zur Kollisionsprädiktion. Während der Großteil der existierenden Literatur das Detektieren und Verfolgen vorausfahrender Fahrzeuge in Autobahnszenarien adressiert, setzt diese Arbeit einen Schwerpunkt auf den Gegenverkehr, speziell an städtischen Kreuzungen. Der Ansatz ist jedoch grundsätzlich generisch und skalierbar für eine Vielzahl an Verkehrssituationen (Innenstadt, Landstraße, Autobahn). Die zu schätzenden Parameter beinhalten die räumliche Lage des anderen Fahrzeugs relativ zum eigenen Fahrzeug, die Objekt-Geschwindigkeit und -Längsbeschleunigung, sowie die Rotationsgeschwindigkeit (Gierrate) des beobachteten Objektes. Zusätzlich werden die Objektabmaße sowie die Objektform rekonstruiert. Die Grundidee ist es, diese Parameter anhand der Transformation von beobachteten 3D Punkten, welche eine ortsfeste Position auf der Objektoberfläche besitzen, mittels eines rekursiven Schätzers (Kalman Filter) zu bestimmen. Ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit liegt in der Kombination des Starrkörpermodells der Punktewolke mit einem Fahrzeugbewegungsmodell. An Kreuzungen können sehr unterschiedliche Dynamiken auftreten, von einer Geradeausfahrt mit konstanter Geschwindigkeit bis hin zum raschen Abbiegen. Um eine manuelle Parameteradaption abhängig von der jeweiligen Szene zu vermeiden, werden drei verschiedene Ansätze zur automatisierten Anpassung der Filterparameter an die vorliegende Situation vorgestellt und verglichen. Dies stellt den zweiten Hauptbeitrag der Arbeit dar. Weitere wichtige Beiträge sind zwei alternative Initialisierungsmethoden, eine robuste Ausreißerbehandlung, ein probabilistischer Ansatz zur Zuordnung neuer Objektpunkte, sowie die Fusion des bildbasierten Verfahrens mit einem Radar-Sensor. Das Gesamtsystem wird im Rahmen dieser Arbeit systematisch anhand von simulierten und realen Straßenverkehrsszenen evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgestellte Verfahren in der Lage ist, die unbekannten Objektparameter auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen, beispielsweise bei Nacht, schnellen Abbiegemanövern oder unter Teilverdeckungen, sehr präzise zu schätzen. Die Grenzen des Systems werden ebenfalls sorgfältig untersucht

Motorcycle detection and classification in urban Scenarios using a model based on Faster R-CNN

This paper has been presented at: 9th International Conference on Pattern Recognition Systems (ICPRS-18)This paper introduces a Deep Learning Convolutional Neutral Network model based on Faster-RCNN for motorcycle detection and classification on urban environments. The model is evaluated in occluded scenarios where more than 60% of the vehicles present a degree of occlusion. For training and evaluation, we introduce a new dataset of 7500 annotated images, captured under real traffic scenes, using a drone mounted camera. Several tests were carried out to design the network, achieving promising results of 75% in average precision (AP), even with the high number of occluded motorbikes, the low angle of capture and the moving camera. The model is also evaluated on low occlusions datasets, reaching results of up to 92% in AP.S.A. Velastin is grateful to funding received from the Universidad Carlos III de Madrid, the European Union's Seventh Framework Programme for research, technological development and demonstration under grant agreement no. 600371, el Ministerio de Economía y Competitividad (COFUND2013-51509) and Banco Santander. The authors gratefully acknowledge the support of NVIDIA Corporation with the donation of the GPUs used for this research. The data and code used for this work is available upon request from the authors

What can be done with an embedded stereo-rig in urban environments?

International audienceThe development of the Autonomous Guided Vehicles (AGVs) with urban applications are now possible due to the recent solutions (DARPA Grand Challenge) developed to solve the Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) problem: perception, path planning and control. For the last decade, the introduction of GPS systems and vision have been allowed the transposition of SLAM methods dedicated to indoor environments to outdoor ones. When the GPS data are unavailable, the current position of the mobile robot can be estimated by the fusion of data from odometer and/or Inertial Navigation System (INS). We detail in this article what can be done with an uncalibrated stereo-rig, when it is embedded in a vehicle which is going through urban roads. The methodology is based on features extracted on planes: we mainly assume the road at the foreground as the plane common to all the urban scenes but other planes like vertical frontages of buildings can be used if the features extracted on the road are not enough relevant. The relative motions of the coplanar features tracked with both cameras allow us to stimate the vehicle ego-motion with a high precision. Futhermore, the features which don't check the relative motion of the considered plane can be assumed as obstacles

Object Tracking

Object tracking consists in estimation of trajectory of moving objects in the sequence of images. Automation of the computer object tracking is a difficult task. Dynamics of multiple parameters changes representing features and motion of the objects, and temporary partial or full occlusion of the tracked objects have to be considered. This monograph presents the development of object tracking algorithms, methods and systems. Both, state of the art of object tracking methods and also the new trends in research are described in this book. Fourteen chapters are split into two sections. Section 1 presents new theoretical ideas whereas Section 2 presents real-life applications. Despite the variety of topics contained in this monograph it constitutes a consisted knowledge in the field of computer object tracking. The intention of editor was to follow up the very quick progress in the developing of methods as well as extension of the application

Probabilistic Models for 3D Urban Scene Understanding from Movable Platforms

This work is a contribution to understanding multi-object traffic scenes from video sequences. All data is provided by a camera system which is mounted on top of the autonomous driving platform AnnieWAY. The proposed probabilistic generative model reasons jointly about the 3D scene layout as well as the 3D location and orientation of objects in the scene. In particular, the scene topology, geometry as well as traffic activities are inferred from short video sequences

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multi-camera systems are being deployed in a variety of vehicles and mobile robots today. To eliminate the need for cost and labor intensive maintenance and calibration, continuous self-calibration is highly desirable. In this book we present such an approach for self-calibration of multi-Camera systems for vehicle surround sensing. In an extensive evaluation we assess our algorithm quantitatively using real-world data

High-Level Interpretation of Urban Road Maps Fusing Deep Learning-Based Pixelwise Scene Segmentation and Digital Navigation Maps

This paper addresses the problem of high-level road modeling for urban environments. Current approaches are based on geometric models that fit well to the road shape for narrow roads. However, urban environments are more complex and those models are not suitable for inner city intersections or other urban situations. The approach presented in this paper generates a model based on the information provided by a digital navigation map and a vision-based sensing module. On the one hand, the digital map includes data about the road type (residential, highway, intersection, etc.), road shape, number of lanes, and other context information such as vegetation areas, parking slots, and railways. On the other hand, the sensing module provides a pixelwise segmentation of the road using a ResNet-101 CNN with random data augmentation, as well as other hand-crafted features such as curbs, road markings, and vegetation. The high-level interpretation module is designed to learn the best set of parameters of a function that maps all the available features to the actual parametric model of the urban road, using a weighted F-score as a cost function to be optimized. We show that the presented approach eases the maintenance of digital maps using crowd-sourcing, due to the small number of data to send, and adds important context information to traditional road detection systems

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multikamerasysteme werden heute bereits in einer Vielzahl von Fahrzeugen und mobilen Robotern eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von einfachen Assistenzfunktionen wie der Erzeugung einer virtuellen Rundumsicht bis hin zur Umfelderfassung, wie sie für teil- und vollautomatisches Fahren benötigt wird. Damit aus den Kamerabildern metrische Größen wie Distanzen und Winkel abgeleitet werden können und ein konsistentes Umfeldmodell aufgebaut werden kann, muss das Abbildungsverhalten der einzelnen Kameras sowie deren relative Lage zueinander bekannt sein. Insbesondere die Bestimmung der relativen Lage der Kameras zueinander, die durch die extrinsische Kalibrierung beschrieben wird, ist aufwendig, da sie nur im Gesamtverbund erfolgen kann. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass es über die Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg zu nicht vernachlässigbaren Veränderungen durch äußere Einflüsse kommt. Um den hohen Zeit- und Kostenaufwand einer regelmäßigen Wartung zu vermeiden, ist ein Selbstkalibrierungsverfahren erforderlich, das die extrinsischen Kalibrierparameter fortlaufend nachschätzt. Für die Selbstkalibrierung wird typischerweise das Vorhandensein überlappender Sichtbereiche ausgenutzt, um die extrinsische Kalibrierung auf der Basis von Bildkorrespondenzen zu schätzen. Falls die Sichtbereiche mehrerer Kameras jedoch nicht überlappen, lassen sich die Kalibrierparameter auch aus den relativen Bewegungen ableiten, die die einzelnen Kameras beobachten. Die Bewegung typischer Straßenfahrzeuge lässt dabei jedoch nicht die Bestimmung aller Kalibrierparameter zu. Um die vollständige Schätzung der Parameter zu ermöglichen, lassen sich weitere Bedingungsgleichungen, die sich z.B. aus der Beobachtung der Bodenebene ergeben, einbinden. In dieser Arbeit wird dazu in einer theoretischen Analyse gezeigt, welche Parameter sich aus der Kombination verschiedener Bedingungsgleichungen eindeutig bestimmen lassen. Um das Umfeld eines Fahrzeugs vollständig erfassen zu können, werden typischerweise Objektive, wie zum Beispiel Fischaugenobjektive, eingesetzt, die einen sehr großen Bildwinkel ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung von Bildkorrespondenzen vorgeschlagen, das die geometrischen Verzerrungen, die sich durch die Verwendung von Fischaugenobjektiven und sich stark ändernden Ansichten ergeben, berücksichtigt. Darauf aufbauend stellen wir ein robustes Verfahren zur Nachführung der Parameter der Bodenebene vor. Basierend auf der theoretischen Analyse der Beobachtbarkeit und den vorgestellten Verfahren stellen wir ein robustes, rekursives Kalibrierverfahren vor, das auf einem erweiterten Kalman-Filter aufbaut. Das vorgestellte Kalibrierverfahren zeichnet sich insbesondere durch die geringe Anzahl von internen Parametern, sowie durch die hohe Flexibilität hinsichtlich der einbezogenen Bedingungsgleichungen aus und basiert einzig auf den Bilddaten des Multikamerasystems. In einer umfangreichen experimentellen Auswertung mit realen Daten vergleichen wir die Ergebnisse der auf unterschiedlichen Bedingungsgleichungen und Bewegungsmodellen basierenden Verfahren mit den aus einer Referenzkalibrierung bestimmten Parametern. Die besten Ergebnisse wurden dabei durch die Kombination aller vorgestellten Bedingungsgleichungen erzielt. Anhand mehrerer Beispiele zeigen wir, dass die erreichte Genauigkeit ausreichend für eine Vielzahl von Anwendungen ist