Accurate matching and reconstruction of line features from ultra high resolution stereo aerial images

In this study, a new reconstruction approach is proposed for the line segments that are nearly-aligned(<= 10 degrees) with the epipolar line. The method manipulates the redundancy inherent in line pair-relations to generate artificial 3D point entities and utilize those entities during the estimation process to improve the height values of the reconstructed line segments. The best point entities for the reconstruction are selected based on a newly proposed weight function. To test the performance of the proposed approach, we selected three test patches over a built up area of the city of Vaihingen-Germany. Based on the results, the proposed approach produced highly promising reconstruction results for the line segments that are nearly-aligned with the epipolar line

Matching, reconstructing and grouping 3D lines from multiple views using uncertain projective geometry

We present a geometric method for (i) matching 2D line segments from multiple oriented images, (ii) optimally reconstructing 3D line segments and (iii) grouping 3D line segments to corners. The proposed algorithm uses two developments in combining projective geometry and statistics, which are described in this article: (i) the geometric entities points, lines and planes in 2D and 3D and their uncertainty are represented in homogeneous coordinates and new entities may be constructed including their propagated uncertainty. The construction can be performed directly or as an estimation. (ii) relations such as incidence, equality, parallelity and orthogonality between points, lines and planes can be tested statistically based on a given significance level. Using these tools, the resulting algorithm is straightforward and gives reasonable results. It is only based on geometric information and does not use any image intensities, though it can be extended to use other information. The matching of 3D lines does not need any thresholds other than a significance value for the hypotheses tests. 1

Grouping Uncertain Oriented Projective Geometric Entities with Application to Automatic Building Reconstruction

The fully automatic reconstruction of 3d scenes from a set of 2d images has always been a key issue in photogrammetry and computer vision and has not been solved satisfactory so far. Most of the current approaches match features between the images based on radiometric cues followed by a reconstruction using the image geometry. The motivation for this work is the conjecture that in the presence of highly redundant data it should be possible to recover the scene structure by grouping together geometric primitives in a bottom-up manner. Oriented projective geometry will be used throughout this work, which allows to represent geometric primitives, such as points, lines and planes in 2d and 3d space as well as projective cameras, together with their uncertainty. The first major contribution of the work is the use of uncertain oriented projective geometry, rather than uncertain projective geometry, that enables the representation of more complex compound entities, such as line segments and polygons in 2d and 3d space as well as 2d edgels and 3d facets. Within the uncertain oriented projective framework a procedure is developed, which allows to test pairwise relations between the various uncertain oriented projective entities. Again, the novelty lies in the possibility to check relations between the novel compound entities. The second major contribution of the work is the development of a data structure, specifically designed to enable performing the tests between large numbers of entities in an efficient manner. Being able to efficiently test relations between the geometric entities, a framework for grouping those entities together is developed. Various different grouping methods are discussed. The third major contribution of this work is the development of a novel grouping method that by analyzing the entropy change incurred by incrementally adding observations into an estimation is able to balance efficiency against robustness in order to achieve better grouping results. Finally the applicability of the proposed representations, tests and grouping methods for the task of purely geometry based building reconstruction from oriented aerial images is demonstrated. It will be shown that in the presence of highly redundant datasets it is possible to achieve reasonable reconstruction results by grouping together geometric primitives.Gruppierung unsicherer orientierter projektiver geometrischer Elemente mit Anwendung in der automatischen Gebäuderekonstruktion Die vollautomatische Rekonstruktion von 3D Szenen aus einer Menge von 2D Bildern war immer ein Hauptanliegen in der Photogrammetrie und Computer Vision und wurde bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst. Die meisten aktuellen Ansätze ordnen Merkmale zwischen den Bildern basierend auf radiometrischen Eigenschaften zu. Daran schließt sich dann eine Rekonstruktion auf der Basis der Bildgeometrie an. Die Motivation für diese Arbeit ist die These, dass es möglich sein sollte, die Struktur einer Szene durch Gruppierung geometrischer Primitive zu rekonstruieren, falls die Eingabedaten genügend redundant sind. Orientierte projektive Geometrie wird in dieser Arbeit zur Repräsentation geometrischer Primitive, wie Punkten, Linien und Ebenen in 2D und 3D sowie projektiver Kameras, zusammen mit ihrer Unsicherheit verwendet.Der erste Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Verwendung unsicherer orientierter projektiver Geometrie, anstatt von unsicherer projektiver Geometrie, welche die Repräsentation von komplexeren zusammengesetzten Objekten, wie Liniensegmenten und Polygonen in 2D und 3D sowie 2D Edgels und 3D Facetten, ermöglicht. Innerhalb dieser unsicheren orientierten projektiven Repräsentation wird ein Verfahren zum testen paarweiser Relationen zwischen den verschiedenen unsicheren orientierten projektiven geometrischen Elementen entwickelt. Dabei liegt die Neuheit wieder in der Möglichkeit, Relationen zwischen den neuen zusammengesetzten Elementen zu prüfen. Der zweite Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Datenstruktur, welche speziell auf die effiziente Prüfung von solchen Relationen zwischen vielen Elementen ausgelegt ist. Die Möglichkeit zur effizienten Prüfung von Relationen zwischen den geometrischen Elementen erlaubt nun die Entwicklung eines Systems zur Gruppierung dieser Elemente. Verschiedene Gruppierungsmethoden werden vorgestellt. Der dritte Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Gruppierungsmethode, die durch die Analyse der änderung der Entropie beim Hinzufügen von Beobachtungen in die Schätzung Effizienz und Robustheit gegeneinander ausbalanciert und dadurch bessere Gruppierungsergebnisse erzielt. Zum Schluss wird die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Repräsentationen, Tests und Gruppierungsmethoden für die ausschließlich geometriebasierte Gebäuderekonstruktion aus orientierten Luftbildern demonstriert. Es wird gezeigt, dass unter der Annahme von hoch redundanten Datensätzen vernünftige Rekonstruktionsergebnisse durch Gruppierung von geometrischen Primitiven erzielbar sind

Constrained camera motion estimation and 3D reconstruction

The creation of virtual content from visual data is a tedious task which requires a high amount of skill and expertise. Although the majority of consumers is in possession of multiple imaging devices that would enable them to perform this task in principle, the processing techniques and tools are still intended for the use by trained experts. As more and more capable hardware becomes available, there is a growing need among consumers and professionals alike for new flexible and reliable tools that reduce the amount of time and effort required to create high-quality content. This thesis describes advances of the state of the art in three areas of computer vision: camera motion estimation, probabilistic 3D reconstruction, and template fitting. First, a new camera model geared towards stereoscopic input data is introduced, which is subsequently developed into a generalized framework for constrained camera motion estimation. A probabilistic reconstruction method for 3D line segments is then described, which takes global connectivity constraints into account. Finally, a new framework for symmetry-aware template fitting is presented, which allows the creation of high-quality models from low-quality input 3D scans. Evaluations with a broad range of challenging synthetic and real-world data sets demonstrate that the new constrained camera motion estimation methods provide improved accuracy and flexibility, and that the new constrained 3D reconstruction methods improve the current state of the art.Die Erzeugung virtueller Inhalte aus visuellem Datenmaterial ist langwierig und erfordert viel Geschick und Sachkenntnis. Obwohl der Großteil der Konsumenten mehrere Bildgebungsgeräte besitzt, die es ihm im Prinzip erlauben würden, dies durchzuführen, sind die Techniken und Werkzeuge noch immer für den Einsatz durch ausgebildete Fachleute gedacht. Da immer leistungsfähigere Hardware zur Verfügung steht, gibt es sowohl bei Konsumenten als auch bei Fachleuten eine wachsende Nachfrage nach neuen flexiblen und verlässlichen Werkzeugen, die die Erzeugung von qualitativ hochwertigen Inhalten vereinfachen. In der vorliegenden Arbeit werden Erweiterungen des Stands der Technik in den folgenden drei Bereichen der Bildverarbeitung beschrieben: Kamerabewegungsschätzung, wahrscheinlichkeitstheoretische 3D-Rekonstruktion und Template-Fitting. Zuerst wird ein neues Kameramodell vorgestellt, das für die Verarbeitung von stereoskopischen Eingabedaten ausgelegt ist. Dieses Modell wird in der Folge in eine generalisierte Methode zur Kamerabewegungsschätzung unter Nebenbedingungen erweitert. Anschließend wird ein wahrscheinlichkeitstheoretisches Verfahren zur Rekonstruktion von 3D-Liniensegmenten beschrieben, das globale Verbindungen als Nebenbedingungen berücksichtigt. Schließlich wird eine neue Methode zum Fitting eines Template-Modells präsentiert, bei der die Berücksichtigung der Symmetriestruktur des Templates die Erzeugung von Modellen hoher Qualität aus 3D-Eingabedaten niedriger Qualität erlaubt. Evaluierungen mit einem breiten Spektrum an anspruchsvollen synthetischen und realen Datensätzen zeigen, dass die neuen Methoden zur Kamerabewegungsschätzung unter Nebenbedingungen höhere Genauigkeit und mehr Flexibilität ermöglichen, und dass die neuen Methoden zur 3D-Rekonstruktion unter Nebenbedingungen den Stand der Technik erweitern