Refractive Structure-From-Motion Through a Flat Refractive Interface

Recovering 3D scene geometry from underwater images involves the Refractive Structure-from-Motion (RSfM) problem, where the image distortions caused by light refraction at the interface between different propagation media invalidates the single view point assumption. Direct use of the pinhole camera model in RSfM leads to inaccurate camera pose estimation and consequently drift. RSfM methods have been thoroughly studied for the case of a thick glass interface that assumes two refractive interfaces between the camera and the viewed scene. On the other hand, when the camera lens is in direct contact with the water, there is only one refractive interface. By explicitly considering a refractive interface, we develop a succinct derivation of the refractive fundamental matrix in the form of the generalised epipolar constraint for an axial camera. We use the refractive fundamental matrix to refine initial pose estimates obtained by assuming the pinhole model. This strategy allows us to robustly estimate underwater camera poses, where other methods suffer from poor noise-sensitivity. We also formulate a new four view constraint enforcing camera pose consistency along a video which leads us to a novel RSfM framework. For validation we use synthetic data to show the numerical properties of our method and we provide results on real data to demonstrate performance within laboratory settings and for applications in endoscopy

Visuelle Detektion unabhängig bewegter Objekte durch einen bewegten monokularen Beobachter

The development of a driver assistant system supporting drivers in complex intersection situations would be a major achievement for traffic safety, since many traffic accidents happen in such situations. While this is a highly complex task, which is still not accomplished, this thesis focused on one important and obligatory aspect of such systems: The visual detection of independently moving objects. Information about moving objects can, for example, be used in an attention guidance system, which is a central component of any complete intersection assistant system. The decision to base such a system on visual input had two reasons: (i) Humans gather their information to a large extent visually and (ii) cameras are inexpensive and already widely used in luxury and professional vehicles for specific applications. Mimicking the articulated human head and eyes, agile camera systems are desirable. To avoid heavy and sensitive stereo rigs, a small and lightweight monocular camera system mounted on a pan-tilt unit has been chosen as input device. In this thesis information about moving objects has been used to develop a prototype of an attention guidance system. It is based on the analysis of sequences from a single freely moving camera and on measurements from inertial sensors rigidly coupled with the camera system.Die Entwicklung eines Fahrerassistenzsystems, welches den Fahrer in komplexen Kreuzungssituationen unterstützt, wäre ein wichtiger Beitrag zur Verkehrssicherheit, da sehr viele Unfälle in solchen Situationen passieren. Dies ist eine hochgradig komplexe Aufgabe und daher liegt der Fokus dieser Arbeit auf einen wichtigen und notwendigen Aspekt solcher Systeme: Die visuelle Detektion unabhängig bewegter Objekte. Informationen über bewegte Objekte können z.B. für ein System zur Aufmerksamkeitssteuerung verwendet werden. Solch ein System ist ein integraler Bestandteil eines jeden kompletten Kreuzungsassistenzssystems. Zwei Gründe haben zu der Entscheidung geführt, das System auf visuellen Daten zu stützen: (i) Der Mensch sammelt seine Informationen zum Großteil visuell und (ii) Kameras sind zum Einen günstig und zum Anderen bereits jetzt in vielen Fahrzeugen verfügbar. Agile Kamerasysteme sind nötig um den beweglichen menschlichen Kopf zu imitieren. Die Wahl einer kleinen und leichten monokularen Kamera, die auf einer Schwenk-Neige-Einheit montiert ist, vermeidet die Verwendung von schweren und empfindlichen Stereokamerasystemen. Mit den Informationen über bewegte Objekte ist in dieser Arbeit der Prototyp eines Fahrerassistenzsystems Aufmerksamkeitssteuerung entwickelt worden. Das System basiert auf der Analyse von Bildsequenzen einer frei bewegten Kamera und auf Messungen von der mit der Kamera starr gekoppelten Inertialsensorik

Visual servo control on a humanoid robot

Includes bibliographical referencesThis thesis deals with the control of a humanoid robot based on visual servoing. It seeks to confer a degree of autonomy to the robot in the achievement of tasks such as reaching a desired position, tracking or/and grasping an object. The autonomy of humanoid robots is considered as crucial for the success of the numerous services that this kind of robots can render with their ability to associate dexterity and mobility in structured, unstructured or even hazardous environments. To achieve this objective, a humanoid robot is fully modeled and the control of its locomotion, conditioned by postural balance and gait stability, is studied. The presented approach is formulated to account for all the joints of the biped robot. As a way to conform the reference commands from visual servoing to the discrete locomotion mode of the robot, this study exploits a reactive omnidirectional walking pattern generator and a visual task Jacobian redefined with respect to a floating base on the humanoid robot, instead of the stance foot. The redundancy problem stemming from the high number of degrees of freedom coupled with the omnidirectional mobility of the robot is handled within the task priority framework, allowing thus to achieve con- figuration dependent sub-objectives such as improving the reachability, the manipulability and avoiding joint limits. Beyond a kinematic formulation of visual servoing, this thesis explores a dynamic visual approach and proposes two new visual servoing laws. Lyapunov theory is used first to prove the stability and convergence of the visual closed loop, then to derive a robust adaptive controller for the combined robot-vision dynamics, yielding thus an ultimate uniform bounded solution. Finally, all proposed schemes are validated in simulation and experimentally on the humanoid robot NAO

Rekonstruktion, Analyse und Editierung dynamisch deformierter 3D-Oberflächen

Dynamically deforming 3D surfaces play a major role in computer graphics. However, producing time-varying dynamic geometry at ever increasing detail is a time-consuming and costly process, and so a recent trend is to capture geometry data directly from the real world. In the first part of this thesis, I propose novel approaches for this research area. These approaches capture dense dynamic 3D surfaces from multi-camera systems in a particularly robust and accurate way. This provides highly realistic dynamic surface models for phenomena like moving garments and bulging muscles. However, re-using, editing, or otherwise analyzing dynamic 3D surface data is not yet conveniently possible. To close this gap, the second part of this dissertation develops novel data-driven modeling and animation approaches. I first show a supervised data-driven approach for modeling human muscle deformations that scales to huge datasets and provides fine-scale, anatomically realistic deformations at high quality not attainable by previous methods. I then extend data-driven modeling to the unsupervised case, providing editing tools for a wider set of input data ranging from facial performance capture and full-body motion to muscle and cloth deformation. To this end, I introduce the concepts of sparsity and locality within a mathematical optimization framework. I also explore these concepts for constructing shape-aware functions that are useful for static geometry processing, registration, and localized editing.Dynamisch deformierbare 3D-Oberflächen spielen in der Computergrafik eine zentrale Rolle. Die Erstellung der für Computergrafik-Anwendungen benötigten, hochaufgelösten und zeitlich veränderlichen Oberflächengeometrien ist allerdings äußerst arbeitsintensiv. Aus dieser Problematik heraus hat sich der Trend entwickelt, Oberflächendaten direkt aus Aufnahmen der echten Welt zu erfassen. Dazu nötige 3D-Rekonstruktionsverfahren werden im ersten Teil der Arbeit entwickelt. Die vorgestellten, neuartigen Verfahren erlauben die Erfassung dynamischer 3D-Oberflächen aus Mehrkamera-Aufnahmen bei hoher Verlässlichkeit und Präzision. Auf diese Weise können detaillierte Oberflächenmodelle von Phänomenen wie in Bewegung befindliche Kleidung oder sich anspannende Muskeln erfasst werden. Aber auch die Wiederverwendung, Bearbeitung und Analyse derlei gewonnener 3D-Oberflächendaten ist aktuell noch nicht auf eine einfache Art und Weise möglich. Um diese Lücke zu schließen beschäftigt sich der zweite Teil der Arbeit mit der datengetriebenen Modellierung und Animation. Zunächst wird ein Ansatz für das überwachte Lernen menschlicher Muskel-Deformationen vorgestellt. Dieses neuartige Verfahren ermöglicht eine datengetriebene Modellierung mit besonders umfangreichen Datensätzen und liefert anatomisch-realistische Deformationseffekte. Es übertrifft damit die Genauigkeit früherer Methoden. Im nächsten Teil beschäftigt sich die Dissertation mit dem unüberwachten Lernen aus 3D-Oberflächendaten. Es werden neuartige Werkzeuge vorgestellt, die eine weitreichende Menge an Eingabedaten verarbeiten können, von aufgenommenen Gesichtsanimationen über Ganzkörperbewegungen bis hin zu Muskel- und Kleidungsdeformationen. Um diese Anwendungsbreite zu erreichen stützt sich die Arbeit auf die allgemeinen Konzepte der Spärlichkeit und Lokalität und bettet diese in einen mathematischen Optimierungsansatz ein. Abschließend zeigt die vorliegende Arbeit, wie diese Konzepte auch für die Konstruktion von oberflächen-adaptiven Basisfunktionen übertragen werden können. Dadurch können Anwendungen für die Verarbeitung, Registrierung und Bearbeitung statischer Oberflächenmodelle erschlossen werden

Robust and affordable localization and mapping for 3D reconstruction. Application to architecture and construction

La localización y mapeado simultáneo a partir de una sola cámara en movimiento se conoce como Monocular SLAM. En esta tesis se aborda este problema con cámaras de bajo coste cuyo principal reto consiste en ser robustos al ruido, blurring y otros artefactos que afectan a la imagen. La aproximación al problema es discreta, utilizando solo puntos de la imagen significativos para localizar la cámara y mapear el entorno. La principal contribución es una simplificación del grafo de poses que permite mejorar la precisión en las escenas más habituales, evaluada de forma exhaustiva en 4 datasets. Los resultados del mapeado permiten obtener una reconstrucción 3D de la escena que puede ser utilizada en arquitectura y construcción para Modelar la Información del Edificio (BIM). En la segunda parte de la tesis proponemos incorporar dicha información en un sistema de visualización avanzada usando WebGL que ayude a simplificar la implantación de la metodología BIM.Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos)Doctorado en Informátic

Spatial Displays and Spatial Instruments

The conference proceedings topics are divided into two main areas: (1) issues of spatial and picture perception raised by graphical electronic displays of spatial information; and (2) design questions raised by the practical experience of designers actually defining new spatial instruments for use in new aircraft and spacecraft. Each topic is considered from both a theoretical and an applied direction. Emphasis is placed on discussion of phenomena and determination of design principles

3D reconstruction of coronary arteries from angiographic sequences for interventional assistance

Introduction -- Review of literature -- Research hypothesis and objectives -- Methodology -- Results and discussion -- Conclusion and future perspectives