Joint Point Cloud and Image Based Localization For Efficient Inspection in Mixed Reality

This paper introduces a method of structure inspection using mixed-reality headsets to reduce the human effort in reporting accurate inspection information such as fault locations in 3D coordinates. Prior to every inspection, the headset needs to be localized. While external pose estimation and fiducial marker based localization would require setup, maintenance, and manual calibration; marker-free self-localization can be achieved using the onboard depth sensor and camera. However, due to limited depth sensor range of portable mixed-reality headsets like Microsoft HoloLens, localization based on simple point cloud registration (sPCR) would require extensive mapping of the environment. Also, localization based on camera image would face the same issues as stereo ambiguities and hence depends on viewpoint. We thus introduce a novel approach to Joint Point Cloud and Image-based Localization (JPIL) for mixed-reality headsets that use visual cues and headset orientation to register small, partially overlapped point clouds and save significant manual labor and time in environment mapping. Our empirical results compared to sPCR show average 10 fold reduction of required overlap surface area that could potentially save on average 20 minutes per inspection. JPIL is not only restricted to inspection tasks but also can be essential in enabling intuitive human-robot interaction for spatial mapping and scene understanding in conjunction with other agents like autonomous robotic systems that are increasingly being deployed in outdoor environments for applications like structural inspection

Past, Present, and Future of Simultaneous Localization And Mapping: Towards the Robust-Perception Age

Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)consists in the concurrent construction of a model of the environment (the map), and the estimation of the state of the robot moving within it. The SLAM community has made astonishing progress over the last 30 years, enabling large-scale real-world applications, and witnessing a steady transition of this technology to industry. We survey the current state of SLAM. We start by presenting what is now the de-facto standard formulation for SLAM. We then review related work, covering a broad set of topics including robustness and scalability in long-term mapping, metric and semantic representations for mapping, theoretical performance guarantees, active SLAM and exploration, and other new frontiers. This paper simultaneously serves as a position paper and tutorial to those who are users of SLAM. By looking at the published research with a critical eye, we delineate open challenges and new research issues, that still deserve careful scientific investigation. The paper also contains the authors' take on two questions that often animate discussions during robotics conferences: Do robots need SLAM? and Is SLAM solved

Enhanced Concrete Bridge Assessment Using Artificial Intelligence and Mixed Reality

Conventional methods for visual assessment of civil infrastructures have certain limitations, such as subjectivity of the collected data, long inspection time, and high cost of labor. Although some new technologies (i.e. robotic techniques) that are currently in practice can collect objective, quantified data, the inspector\u27s own expertise is still critical in many instances since these technologies are not designed to work interactively with human inspector. This study aims to create a smart, human-centered method that offers significant contributions to infrastructure inspection, maintenance, management practice, and safety for the bridge owners. By developing a smart Mixed Reality (MR) framework, which can be integrated into a wearable holographic headset device, a bridge inspector, for example, can automatically analyze a certain defect such as a crack that he or she sees on an element, display its dimension information in real-time along with the condition state. Such systems can potentially decrease the time and cost of infrastructure inspections by accelerating essential tasks of the inspector such as defect measurement, condition assessment and data processing to management systems. The human centered artificial intelligence (AI) will help the inspector collect more quantified and objective data while incorporating inspector\u27s professional judgment. This study explains in detail the described system and related methodologies of implementing attention guided semi-supervised deep learning into mixed reality technology, which interacts with the human inspector during assessment. Thereby, the inspector and the AI will collaborate/communicate for improved visual inspection

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