LiDAR-Based Object Tracking and Shape Estimation

Umfeldwahrnehmung stellt eine Grundvoraussetzung für den sicheren und komfortablen Betrieb automatisierter Fahrzeuge dar. Insbesondere bewegte Verkehrsteilnehmer in der unmittelbaren Fahrzeugumgebung haben dabei große Auswirkungen auf die Wahl einer angemessenen Fahrstrategie. Dies macht ein System zur Objektwahrnehmung notwendig, welches eine robuste und präzise Zustandsschätzung der Fremdfahrzeugbewegung und -geometrie zur Verfügung stellt. Im Kontext des automatisierten Fahrens hat sich das Box-Geometriemodell über die Zeit als Quasistandard durchgesetzt. Allerdings stellt die Box aufgrund der ständig steigenden Anforderungen an Wahrnehmungssysteme inzwischen häufig eine unerwünscht grobe Approximation der tatsächlichen Geometrie anderer Verkehrsteilnehmer dar. Dies motiviert einen Übergang zu genaueren Formrepräsentationen. In der vorliegenden Arbeit wird daher ein probabilistisches Verfahren zur gleichzeitigen Schätzung von starrer Objektform und -bewegung mittels Messdaten eines LiDAR-Sensors vorgestellt. Der Vergleich dreier Freiform-Geometriemodelle mit verschiedenen Detaillierungsgraden (Polygonzug, Dreiecksnetz und Surfel Map) gegenüber dem einfachen Boxmodell zeigt, dass die Reduktion von Modellierungsfehlern in der Objektgeometrie eine robustere und präzisere Parameterschätzung von Objektzuständen ermöglicht. Darüber hinaus können automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise ein Park- oder Ausweichassistent, von einem genaueren Wissen über die Fremdobjektform profitieren. Es existieren zwei Einflussgrößen, welche die Auswahl einer angemessenen Formrepräsentation maßgeblich beeinflussen sollten: Beobachtbarkeit (Welchen Detaillierungsgrad lässt die Sensorspezifikation theoretisch zu?) und Modell-Adäquatheit (Wie gut bildet das gegebene Modell die tatsächlichen Beobachtungen ab?). Auf Basis dieser Einflussgrößen wird in der vorliegenden Arbeit eine Strategie zur Modellauswahl vorgestellt, die zur Laufzeit adaptiv das am besten geeignete Formmodell bestimmt. Während die Mehrzahl der Algorithmen zur LiDAR-basierten Objektverfolgung ausschließlich auf Punktmessungen zurückgreift, werden in der vorliegenden Arbeit zwei weitere Arten von Messungen vorgeschlagen: Information über den vermessenen Freiraum wird verwendet, um über Bereiche zu schlussfolgern, welche nicht von Objektgeometrie belegt sein können. Des Weiteren werden LiDAR-Intensitäten einbezogen, um markante Merkmale wie Nummernschilder und Retroreflektoren zu detektieren und über die Zeit zu verfolgen. Eine ausführliche Auswertung auf über 1,5 Stunden von aufgezeichneten Fremdfahrzeugtrajektorien im urbanen Bereich und auf der Autobahn zeigen, dass eine präzise Modellierung der Objektoberfläche die Bewegungsschätzung um bis zu 30%-40% verbessern kann. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die vorgestellten Methoden konsistente und hochpräzise Rekonstruktionen von Objektgeometrien generieren können, welche die häufig signifikante Überapproximation durch das einfache Boxmodell vermeiden

Object recognition using multi-view imaging

Single view imaging data has been used in most previous research in computer vision and image understanding and lots of techniques have been developed. Recently with the fast development and dropping cost of multiple cameras, it has become possible to have many more views to achieve image processing tasks. This thesis will consider how to use the obtained multiple images in the application of target object recognition. In this context, we present two algorithms for object recognition based on scale- invariant feature points. The first is single view object recognition method (SOR), which operates on single images and uses a chirality constraint to reduce the recognition errors that arise when only a small number of feature points are matched. The procedure is extended in the second multi-view object recognition algorithm (MOR) which operates on a multi-view image sequence and, by tracking feature points using a dynamic programming method in the plenoptic domain subject to the epipolar constraint, is able to fuse feature point matches from all the available images, resulting in more robust recognition. We evaluated these algorithms using a number of data sets of real images capturing both indoor and outdoor scenes. We demonstrate that MOR is better than SOR particularly for noisy and low resolution images, and it is also able to recognize objects that are partially occluded by combining it with some segmentation techniques

Indoor Positioning Using Acoustic Pseudo-Noise Based Time Difference of Arrival

The Global Positioning System (GPS) provides good precision on a global scale, but is not suitable for indoor applications. Indoor positioning systems (IPS) aim to provide high precision position information in an indoor environment. IPS has huge market opportunity with a growing number of commercial and consumer applications especially as Internet of Things (IoT) develops. This paper studies an IPS approach using audible sound and pseudo-noise (PN) based time difference of arrival (TDoA). The system’s infrastructure consists of synchronized speakers. The object to be located, or receiver, extracts TDoA information and uses multilateration to calculate its position. The proposed IPS utilizes sound waves since they travel much slower compared to electromagnetic waves, allowing for easier measurements. Additionally, the audible spectrum has a large availability of low directivity speakers and microphones allowing for a large coverage area compared to highly directive ultrasonic transceivers. This paper experimentally evaluates the feasibility of the proposed IPS

Activity profiling for minimally invasive surgery

Imperial Users onl