SurfelMeshing: Online Surfel-Based Mesh Reconstruction

We address the problem of mesh reconstruction from live RGB-D video, assuming a calibrated camera and poses provided externally (e.g., by a SLAM system). In contrast to most existing approaches, we do not fuse depth measurements in a volume but in a dense surfel cloud. We asynchronously (re)triangulate the smoothed surfels to reconstruct a surface mesh. This novel approach enables to maintain a dense surface representation of the scene during SLAM which can quickly adapt to loop closures. This is possible by deforming the surfel cloud and asynchronously remeshing the surface where necessary. The surfel-based representation also naturally supports strongly varying scan resolution. In particular, it reconstructs colors at the input camera's resolution. Moreover, in contrast to many volumetric approaches, ours can reconstruct thin objects since objects do not need to enclose a volume. We demonstrate our approach in a number of experiments, showing that it produces reconstructions that are competitive with the state-of-the-art, and we discuss its advantages and limitations. The algorithm (excluding loop closure functionality) is available as open source at https://github.com/puzzlepaint/surfelmeshing .Comment: Version accepted to IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligenc

Co-Fusion: Real-time Segmentation, Tracking and Fusion of Multiple Objects

In this paper we introduce Co-Fusion, a dense SLAM system that takes a live stream of RGB-D images as input and segments the scene into different objects (using either motion or semantic cues) while simultaneously tracking and reconstructing their 3D shape in real time. We use a multiple model fitting approach where each object can move independently from the background and still be effectively tracked and its shape fused over time using only the information from pixels associated with that object label. Previous attempts to deal with dynamic scenes have typically considered moving regions as outliers, and consequently do not model their shape or track their motion over time. In contrast, we enable the robot to maintain 3D models for each of the segmented objects and to improve them over time through fusion. As a result, our system can enable a robot to maintain a scene description at the object level which has the potential to allow interactions with its working environment; even in the case of dynamic scenes.Comment: International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2017, http://visual.cs.ucl.ac.uk/pubs/cofusion, https://github.com/martinruenz/co-fusio

InfiniTAM v3: A Framework for Large-Scale 3D Reconstruction with Loop Closure

Volumetric models have become a popular representation for 3D scenes in recent years. One breakthrough leading to their popularity was KinectFusion, which focuses on 3D reconstruction using RGB-D sensors. However, monocular SLAM has since also been tackled with very similar approaches. Representing the reconstruction volumetrically as a TSDF leads to most of the simplicity and efficiency that can be achieved with GPU implementations of these systems. However, this representation is memory-intensive and limits applicability to small-scale reconstructions. Several avenues have been explored to overcome this. With the aim of summarizing them and providing for a fast, flexible 3D reconstruction pipeline, we propose a new, unifying framework called InfiniTAM. The idea is that steps like camera tracking, scene representation and integration of new data can easily be replaced and adapted to the user's needs. This report describes the technical implementation details of InfiniTAM v3, the third version of our InfiniTAM system. We have added various new features, as well as making numerous enhancements to the low-level code that significantly improve our camera tracking performance. The new features that we expect to be of most interest are (i) a robust camera tracking module; (ii) an implementation of Glocker et al.'s keyframe-based random ferns camera relocaliser; (iii) a novel approach to globally-consistent TSDF-based reconstruction, based on dividing the scene into rigid submaps and optimising the relative poses between them; and (iv) an implementation of Keller et al.'s surfel-based reconstruction approach.Comment: This article largely supersedes arxiv:1410.0925 (it describes version 3 of the InfiniTAM framework

Efficient Dense Registration, Segmentation, and Modeling Methods for RGB-D Environment Perception

One perspective for artificial intelligence research is to build machines that perform tasks autonomously in our complex everyday environments. This setting poses challenges to the development of perception skills: A robot should be able to perceive its location and objects in its surrounding, while the objects and the robot itself could also be moving. Objects may not only be composed of rigid parts, but could be non-rigidly deformable or appear in a variety of similar shapes. Furthermore, it could be relevant to the task to observe object semantics. For a robot acting fluently and immediately, these perception challenges demand efficient methods. This theses presents novel approaches to robot perception with RGB-D sensors. It develops efficient registration, segmentation, and modeling methods for scene and object perception. We propose multi-resolution surfel maps as a concise representation for RGB-D measurements. We develop probabilistic registration methods that handle rigid scenes, scenes with multiple rigid parts that move differently, and scenes that undergo non-rigid deformations. We use these methods to learn and perceive 3D models of scenes and objects in both static and dynamic environments. For learning models of static scenes, we propose a real-time capable simultaneous localization and mapping approach. It aligns key views in RGB-D video using our rigid registration method and optimizes the pose graph of the key views. The acquired models are then perceived in live images through detection and tracking within a Bayesian filtering framework. An assumption frequently made for environment mapping is that the observed scene remains static during the mapping process. Through rigid multi-body registration, we take advantage of releasing this assumption: Our registration method segments views into parts that move independently between the views and simultaneously estimates their motion. Within simultaneous motion segmentation, localization, and mapping, we separate scenes into objects by their motion. Our approach acquires 3D models of objects and concurrently infers hierarchical part relations between them using probabilistic reasoning. It can be applied for interactive learning of objects and their part decomposition. Endowing robots with manipulation skills for a large variety of objects is a tedious endeavor if the skill is programmed for every instance of an object class. Furthermore, slight deformations of an instance could not be handled by an inflexible program. Deformable registration is useful to perceive such shape variations, e.g., between specific instances of a tool. We develop an efficient deformable registration method and apply it for the transfer of robot manipulation skills between varying object instances. On the object-class level, we segment images using random decision forest classifiers in real-time. The probabilistic labelings of individual images are fused in 3D semantic maps within a Bayesian framework. We combine our object-class segmentation method with simultaneous localization and mapping to achieve online semantic mapping in real-time. The methods developed in this thesis are evaluated in experiments on publicly available benchmark datasets and novel own datasets. We publicly demonstrate several of our perception approaches within integrated robot systems in the mobile manipulation context.Effiziente Dichte Registrierungs-, Segmentierungs- und Modellierungsmethoden für die RGB-D Umgebungswahrnehmung In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Herausforderungen der visuellen Wahrnehmung für intelligente Roboter in Alltagsumgebungen. Solche Roboter sollen sich selbst in ihrer Umgebung zurechtfinden, und Wissen über den Verbleib von Objekten erwerben können. Die Schwierigkeit dieser Aufgaben erhöht sich in dynamischen Umgebungen, in denen ein Roboter die Bewegung einzelner Teile differenzieren und auch wahrnehmen muss, wie sich diese Teile bewegen. Bewegt sich ein Roboter selbständig in dieser Umgebung, muss er auch seine eigene Bewegung von der Veränderung der Umgebung unterscheiden. Szenen können sich aber nicht nur durch die Bewegung starrer Teile verändern. Auch die Teile selbst können ihre Form in nicht-rigider Weise ändern. Eine weitere Herausforderung stellt die semantische Interpretation von Szenengeometrie und -aussehen dar. Damit intelligente Roboter unmittelbar und flüssig handeln können, sind effiziente Algorithmen für diese Wahrnehmungsprobleme erforderlich. Im ersten Teil dieser Arbeit entwickeln wir effiziente Methoden zur Repräsentation und Registrierung von RGB-D Messungen. Zunächst stellen wir Multi-Resolutions-Oberflächenelement-Karten (engl. multi-resolution surfel maps, MRSMaps) als eine kompakte Repräsentation von RGB-D Messungen vor, die unseren effizienten Registrierungsmethoden zugrunde liegt. Bilder können effizient in dieser Repräsentation aggregiert werde, wobei auch mehrere Bilder aus verschiedenen Blickpunkten integriert werden können, um Modelle von Szenen und Objekte aus vielfältigen Ansichten darzustellen. Für die effiziente, robuste und genaue Registrierung von MRSMaps wird eine Methode vorgestellt, die Rigidheit der betrachteten Szene voraussetzt. Die Registrierung schätzt die Kamerabewegung zwischen den Bildern und gewinnt ihre Effizienz durch die Ausnutzung der kompakten multi-resolutionalen Darstellung der Karten. Die Registrierungsmethode erzielt hohe Bildverarbeitungsraten auf einer CPU. Wir demonstrieren hohe Effizienz, Genauigkeit und Robustheit unserer Methode im Vergleich zum bisherigen Stand der Forschung auf Vergleichsdatensätzen. In einem weiteren Registrierungsansatz lösen wir uns von der Annahme, dass die betrachtete Szene zwischen Bildern statisch ist. Wir erlauben nun, dass sich rigide Teile der Szene bewegen dürfen, und erweitern unser rigides Registrierungsverfahren auf diesen Fall. Unser Ansatz segmentiert das Bild in Bereiche einzelner Teile, die sich unterschiedlich zwischen Bildern bewegen. Wir demonstrieren hohe Segmentierungsgenauigkeit und Genauigkeit in der Bewegungsschätzung unter Echtzeitbedingungen für die Verarbeitung. Schließlich entwickeln wir ein Verfahren für die Wahrnehmung von nicht-rigiden Deformationen zwischen zwei MRSMaps. Auch hier nutzen wir die multi-resolutionale Struktur in den Karten für ein effizientes Registrieren von grob zu fein. Wir schlagen Methoden vor, um aus den geschätzten Deformationen die lokale Bewegung zwischen den Bildern zu berechnen. Wir evaluieren Genauigkeit und Effizienz des Registrierungsverfahrens. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Verwendung unserer Kartenrepräsentation und Registrierungsmethoden für die Wahrnehmung von Szenen und Objekten. Wir verwenden MRSMaps und unsere rigide Registrierungsmethode, um dichte 3D Modelle von Szenen und Objekten zu lernen. Die räumlichen Beziehungen zwischen Schlüsselansichten, die wir durch Registrierung schätzen, werden in einem Simultanen Lokalisierungs- und Kartierungsverfahren (engl. simultaneous localization and mapping, SLAM) gegeneinander abgewogen, um die Blickposen der Schlüsselansichten zu schätzen. Für das Verfolgen der Kamerapose bezüglich der Modelle in Echtzeit, kombinieren wir die Genauigkeit unserer Registrierung mit der Robustheit von Partikelfiltern. Zu Beginn der Posenverfolgung, oder wenn das Objekt aufgrund von Verdeckungen oder extremen Bewegungen nicht weiter verfolgt werden konnte, initialisieren wir das Filter durch Objektdetektion. Anschließend wenden wir unsere erweiterten Registrierungsverfahren für die Wahrnehmung in nicht-rigiden Szenen und für die Übertragung von Objekthandhabungsfähigkeiten von Robotern an. Wir erweitern unseren rigiden Kartierungsansatz auf dynamische Szenen, in denen sich rigide Teile bewegen. Die Bewegungssegmente in Schlüsselansichten werden zueinander in Bezug gesetzt, um Äquivalenz- und Teilebeziehungen von Objekten probabilistisch zu inferieren, denen die Segmente entsprechen. Auch hier liefert unsere Registrierungsmethode die Bewegung der Kamera bezüglich der Objekte, die wir in einem SLAM Verfahren optimieren. Aus diesen Blickposen wiederum können wir die Bewegungssegmente in dichten Objektmodellen vereinen. Objekte einer Klasse teilen oft eine gemeinsame Topologie von funktionalen Elementen, die durch Formkorrespondenzen ermittelt werden kann. Wir verwenden unsere deformierbare Registrierung, um solche Korrespondenzen zu finden und die Handhabung eines Objektes durch einen Roboter auf neue Objektinstanzen derselben Klasse zu übertragen. Schließlich entwickeln wir einen echtzeitfähigen Ansatz, der Kategorien von Objekten in RGB-D Bildern erkennt und segmentiert. Die Segmentierung basiert auf Ensemblen randomisierter Entscheidungsbäume, die Geometrie- und Texturmerkmale zur Klassifikation verwenden. Wir fusionieren Segmentierungen von Einzelbildern einer Szene aus mehreren Ansichten in einer semantischen Objektklassenkarte mit Hilfe unseres SLAM-Verfahrens. Die vorgestellten Methoden werden auf öffentlich verfügbaren Vergleichsdatensätzen und eigenen Datensätzen evaluiert. Einige unserer Ansätze wurden auch in integrierten Robotersystemen für mobile Objekthantierungsaufgaben öffentlich demonstriert. Sie waren ein wichtiger Bestandteil für das Gewinnen der RoboCup-Roboterwettbewerbe in der RoboCup@Home Liga in den Jahren 2011, 2012 und 2013

Monocular slam for deformable scenarios.

El problema de localizar la posición de un sensor en un mapa incierto que se estima simultáneamente se conoce como Localización y Mapeo Simultáneo --SLAM--. Es un problema desafiante comparable al paradigma del huevo y la gallina. Para ubicar el sensor necesitamos conocer el mapa, pero para construir el mapa, necesitamos la posición del sensor. Cuando se utiliza un sensor visual, por ejemplo, una cámara, se denomina Visual SLAM o VSLAM. Los sensores visuales para SLAM se dividen entre los que proporcionan información de profundidad (por ejemplo, cámaras RGB-D o equipos estéreo) y los que no (por ejemplo, cámaras monoculares o cámaras de eventos). En esta tesis hemos centrado nuestra investigación en SLAM con cámaras monoculares.Debido a la falta de percepción de profundidad, el SLAM monocular es intrínsecamente más duro en comparación con el SLAM con sensores de profundidad. Los trabajos estado del arte en VSLAM monocular han asumido normalmente que la escena permanece rígida durante toda la secuencia, lo que es una suposición factible para entornos industriales y urbanos. El supuesto de rigidez aporta las restricciones suficientes al problema y permite reconstruir un mapa fiable tras procesar varias imágenes. En los últimos años, el interés por el SLAM ha llegado a las áreas médicas donde los algoritmos SLAM podrían ayudar a orientar al cirujano o localizar la posición de un robot. Sin embargo, a diferencia de los escenarios industriales o urbanos, en secuencias dentro del cuerpo, todo puede deformarse eventualmente y la suposición de rigidez acaba siendo inválida en la práctica, y por extensión, también los algoritmos de SLAM monoculares. Por lo tanto, nuestro objetivo es ampliar los límites de los algoritmos de SLAM y concebir el primer sistema SLAM monocular capaz de hacer frente a la deformación de la escena.Los sistemas de SLAM actuales calculan la posición de la cámara y la estructura del mapa en dos subprocesos concurrentes: la localización y el mapeo. La localización se encarga de procesar cada imagen para ubicar el sensor de forma continua, en cambio el mapeo se encarga de construir el mapa de la escena. Nosotros hemos adoptado esta estructura y concebimos tanto la localización deformable como el mapeo deformable ahora capaces de recuperar la escena incluso con deformación.Nuestra primera contribución es la localización deformable. La localización deformable utiliza la estructura del mapa para recuperar la pose de la cámara con una única imagen. Simultáneamente, a medida que el mapa se deforma durante la secuencia, también recupera la deformación del mapa para cada fotograma. Hemos propuesto dos familias de localización deformable. En el primer algoritmo de localización deformable, asumimos que todos los puntos están embebidos en una superficie denominada plantilla. Podemos recuperar la deformación de la superficie gracias a un modelo de deformación global que permite estimar la deformación más probable del objeto. Con nuestro segundo algoritmo de localización deformable, demostramos que es posible recuperar la deformación del mapa sin un modelo de deformación global, representando el mapa como surfels individuales. Nuestros resultados experimentales mostraron que, recuperando la deformación del mapa, ambos métodos superan tanto en robustez como en precisión a los métodos rígidos.Nuestra segunda contribución es la concepción del mapeo deformable. Es el back-end del algoritmo SLAM y procesa un lote de imágenes para recuperar la estructura del mapa para todas las imágenes y hacer crecer el mapa ensamblando las observaciones parciales del mismo. Tanto la localización deformable como el mapeo que se ejecutan en paralelo y juntos ensamblan el primer SLAM monocular deformable: \emph{DefSLAM}. Una evaluación ampliada de nuestro método demostró, tanto en secuencias controladas por laboratorio como en secuencias médicas, que nuestro método procesa con éxito secuencias en las que falla el sistema monocular SLAM actual.Nuestra tercera contribución son dos métodos para explotar la información fotométrica en SLAM monocular deformable. Por un lado, SD-DefSLAM que aprovecha el emparejamiento semi-directo para obtener un emparejamiento mucho más fiable de los puntos del mapa en las nuevas imágenes, como consecuencia, se demostró que es más robusto y estable en secuencias médicas. Por otro lado, proponemos un método de Localización Deformable Directa y Dispersa en el que usamos un error fotométrico directo para rastrear la deformación de un mapa modelado como un conjunto de surfels 3D desconectados. Podemos recuperar la deformación de múltiples superficies desconectadas, deformaciones no isométricas o superficies con una topología cambiante.<br /

Multi-frame scene-flow estimation using a patch model and smooth motion prior

This paper addresses the problem of estimating the dense 3D motion of a scene over several frames using a set of calibrated cameras. Most current 3D motion estimation techniques are limited to estimating the motion over a single frame, unless a strong prior model of the scene (such as a skeleton) is introduced. Estimating the 3D motion of a general scene is difficult due to untextured surfaces, complex movements and occlusions. In this paper, we show that it is possible to track the surfaces of a scene over several frames, by introducing an effective prior on the scene motion. Experimental results show that the proposed method estimates the dense scene-flow over multiple frames, without the need for multiple-view reconstructions at every frame. Furthermore, the accuracy of the proposed method is demonstrated by comparing the estimated motion against a ground truth

Object-Aware Tracking and Mapping

Reasoning about geometric properties of digital cameras and optical physics enabled researchers to build methods that localise cameras in 3D space from a video stream, while – often simultaneously – constructing a model of the environment. Related techniques have evolved substantially since the 1980s, leading to increasingly accurate estimations. Traditionally, however, the quality of results is strongly affected by the presence of moving objects, incomplete data, or difficult surfaces – i.e. surfaces that are not Lambertian or lack texture. One insight of this work is that these problems can be addressed by going beyond geometrical and optical constraints, in favour of object level and semantic constraints. Incorporating specific types of prior knowledge in the inference process, such as motion or shape priors, leads to approaches with distinct advantages and disadvantages. After introducing relevant concepts in Chapter 1 and Chapter 2, methods for building object-centric maps in dynamic environments using motion priors are investigated in Chapter 5. Chapter 6 addresses the same problem as Chapter 5, but presents an approach which relies on semantic priors rather than motion cues. To fully exploit semantic information, Chapter 7 discusses the conditioning of shape representations on prior knowledge and the practical application to monocular, object-aware reconstruction systems