An Efficient Index for Visual Search in Appearance-based SLAM

Vector-quantization can be a computationally expensive step in visual bag-of-words (BoW) search when the vocabulary is large. A BoW-based appearance SLAM needs to tackle this problem for an efficient real-time operation. We propose an effective method to speed up the vector-quantization process in BoW-based visual SLAM. We employ a graph-based nearest neighbor search (GNNS) algorithm to this aim, and experimentally show that it can outperform the state-of-the-art. The graph-based search structure used in GNNS can efficiently be integrated into the BoW model and the SLAM framework. The graph-based index, which is a k-NN graph, is built over the vocabulary words and can be extracted from the BoW's vocabulary construction procedure, by adding one iteration to the k-means clustering, which adds small extra cost. Moreover, exploiting the fact that images acquired for appearance-based SLAM are sequential, GNNS search can be initiated judiciously which helps increase the speedup of the quantization process considerably

The Revisiting Problem in Simultaneous Localization and Mapping: A Survey on Visual Loop Closure Detection

Where am I? This is one of the most critical questions that any intelligent system should answer to decide whether it navigates to a previously visited area. This problem has long been acknowledged for its challenging nature in simultaneous localization and mapping (SLAM), wherein the robot needs to correctly associate the incoming sensory data to the database allowing consistent map generation. The significant advances in computer vision achieved over the last 20 years, the increased computational power, and the growing demand for long-term exploration contributed to efficiently performing such a complex task with inexpensive perception sensors. In this article, visual loop closure detection, which formulates a solution based solely on appearance input data, is surveyed. We start by briefly introducing place recognition and SLAM concepts in robotics. Then, we describe a loop closure detection system's structure, covering an extensive collection of topics, including the feature extraction, the environment representation, the decision-making step, and the evaluation process. We conclude by discussing open and new research challenges, particularly concerning the robustness in dynamic environments, the computational complexity, and scalability in long-term operations. The article aims to serve as a tutorial and a position paper for newcomers to visual loop closure detection.Comment: 25 pages, 15 figure

Visual-Inertial Sensor Fusion Models and Algorithms for Context-Aware Indoor Navigation

Positioning in navigation systems is predominantly performed by Global Navigation Satellite Systems (GNSSs). However, while GNSS-enabled devices have become commonplace for outdoor navigation, their use for indoor navigation is hindered due to GNSS signal degradation or blockage. For this, development of alternative positioning approaches and techniques for navigation systems is an ongoing research topic. In this dissertation, I present a new approach and address three major navigational problems: indoor positioning, obstacle detection, and keyframe detection. The proposed approach utilizes inertial and visual sensors available on smartphones and are focused on developing: a framework for monocular visual internal odometry (VIO) to position human/object using sensor fusion and deep learning in tandem; an unsupervised algorithm to detect obstacles using sequence of visual data; and a supervised context-aware keyframe detection. The underlying technique for monocular VIO is a recurrent convolutional neural network for computing six-degree-of-freedom (6DoF) in an end-to-end fashion and an extended Kalman filter module for fine-tuning the scale parameter based on inertial observations and managing errors. I compare the results of my featureless technique with the results of conventional feature-based VIO techniques and manually-scaled results. The comparison results show that while the framework is more effective compared to featureless method and that the accuracy is improved, the accuracy of feature-based method still outperforms the proposed approach. The approach for obstacle detection is based on processing two consecutive images to detect obstacles. Conducting experiments and comparing the results of my approach with the results of two other widely used algorithms show that my algorithm performs better; 82% precision compared with 69%. In order to determine the decent frame-rate extraction from video stream, I analyzed movement patterns of camera and inferred the context of the user to generate a model associating movement anomaly with proper frames-rate extraction. The output of this model was utilized for determining the rate of keyframe extraction in visual odometry (VO). I defined and computed the effective frames for VO and experimented with and used this approach for context-aware keyframe detection. The results show that the number of frames, using inertial data to infer the decent frames, is decreased

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