Control de robots móviles mediante visión omnidireccional utilizando la geometría de tres vistas

Este trabajo trata acerca del control visual de robot móviles. Dentro de este campo tan amplio de investigación existen dos elementos a los que prestaremos especial atención: la visión omnidireccional y los modelos geométricos multi-vista. Las cámaras omnidireccionales proporcionan información angular muy precisa, aunque presentan un grado de distorsión significativo en dirección radial. Su cualidad de poseer un amplio campo de visión hace que dichas cámaras sean apropiadas para tareas de navegación robótica. Por otro lado, el uso de los modelos geométricos que relacionan distintas vistas de una escena permite rechazar emparejamientos erróneos de características visuales entre imágenes, y de este modo robustecer el proceso de control mediante visión. Nuestro trabajo presenta dos técnicas de control visual para ser usadas por un robot moviéndose en el plano del suelo. En primer lugar, proponemos un nuevo método para homing visual, que emplea la información dada por un conjunto de imágenes de referencia adquiridas previamente en el entorno, y las imágenes que toma el robot a lo largo de su movimiento. Con el objeto de sacar partido de las cualidades de la visión omnidireccional, nuestro método de homing es puramente angular, y no emplea información alguna sobre distancia. Esta característica, unida al hecho de que el movimiento se realiza en un plano, motiva el empleo del modelo geométrico dado por el tensor trifocal 1D. En particular, las restricciones geométricas impuestas por dicho tensor, que puede ser calculado a partir de correspondencias de puntos entre tres imágenes, mejoran la robustez del control en presencia de errores de emparejamiento. El interés de nuestra propuesta reside en que el método de control empleado calcula las velocidades del robot a partir de información únicamente angular, siendo ésta muy precisa en las cámaras omnidireccionales. Además, presentamos un procedimiento que calcula las relaciones angulares entre las vistas disponibles de manera indirecta, sin necesidad de que haya información visual compartida entre todas ellas. La técnica descrita se puede clasificar como basada en imagen (image-based), dado que no precisa estimar la localización ni utiliza información 3D. El robot converge a la posición objetivo sin conocer la información métrica sobre la trayectoria seguida. Para algunas aplicaciones, como la evitación de obstáculos, puede ser necesario disponer de mayor información sobre el movimiento 3D realizado. Con esta idea en mente, presentamos un nuevo método de control visual basado en entradas sinusoidales. Las sinusoides son funciones con propiedades matemáticas bien conocidas y de variación suave, lo cual las hace adecuadas para su empleo en maniobras de aparcamiento de vehículos. A partir de las velocidades de variación sinusoidal que definimos en nuestro diseño, obtenemos las expresiones analíticas de la evolución de las variables de estado del robot. Además, basándonos en dichas expresiones, proponemos un método de control mediante realimentación del estado. La estimación del estado del robot se obtiene a partir del tensor trifocal 1D calculado entre la vista objetivo, la vista inicial y la vista actual del robot. Mediante este control sinusoidal, el robot queda alineado con la posición objetivo. En un segundo paso, efectuamos la corrección de la profundidad mediante una ley de control definida directamente en términos del tensor trifocal 1D. El funcionamiento de los dos controladores propuestos en el trabajo se ilustra mediante simulaciones, y con el objeto de respaldar su viabilidad se presentan análisis de estabilidad y resultados de simulaciones y de experimentos con imágenes reales

Método para el registro automático de imágenes basado en transformaciones proyectivas planas dependientes de las distancias y orientado a imágenes sin características comunes

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, leída el 18-12-2015Multisensory data fusion oriented to image-based application improves the accuracy, quality and availability of the data, and consequently, the performance of robotic systems, by means of combining the information of a scene acquired from multiple and different sources into a unified representation of the 3D world scene, which is more enlightening and enriching for the subsequent image processing, improving either the reliability by using the redundant information, or the capability by taking advantage of complementary information. Image registration is one of the most relevant steps in image fusion techniques. This procedure aims the geometrical alignment of two or more images. Normally, this process relies on feature-matching techniques, which is a drawback for combining sensors that are not able to deliver common features. For instance, in the combination of ToF and RGB cameras, the robust feature-matching is not reliable. Typically, the fusion of these two sensors has been addressed from the computation of the cameras calibration parameters for coordinate transformation between them. As a result, a low resolution colour depth map is provided. For improving the resolution of these maps and reducing the loss of colour information, extrapolation techniques are adopted. A crucial issue for computing high quality and accurate dense maps is the presence of noise in the depth measurement from the ToF camera, which is normally reduced by means of sensor calibration and filtering techniques. However, the filtering methods, implemented for the data extrapolation and denoising, usually over-smooth the data, reducing consequently the accuracy of the registration procedure...La fusión multisensorial orientada a aplicaciones de procesamiento de imágenes, conocida como fusión de imágenes, es una técnica que permite mejorar la exactitud, la calidad y la disponibilidad de datos de un entorno tridimensional, que a su vez permite mejorar el rendimiento y la operatividad de sistemas robóticos. Dicha fusión, se consigue mediante la combinación de la información adquirida por múltiples y diversas fuentes de captura de datos, la cual se agrupa del tal forma que se obtiene una mejor representación del entorno 3D, que es mucho más ilustrativa y enriquecedora para la implementación de métodos de procesamiento de imágenes. Con ello se consigue una mejora en la fiabilidad y capacidad del sistema, empleando la información redundante que ha sido adquirida por múltiples sensores. El registro de imágenes es uno de los procedimientos más importantes que componen la fusión de imágenes. El objetivo principal del registro de imágenes es la consecución de la alineación geométrica entre dos o más imágenes. Normalmente, este proceso depende de técnicas de búsqueda de patrones comunes entre imágenes, lo cual puede ser un inconveniente cuando se combinan sensores que no proporcionan datos con características similares. Un ejemplo de ello, es la fusión de cámaras de color de alta resolución (RGB) con cámaras de Tiempo de Vuelo de baja resolución (Time-of-Flight (ToF)), con las cuales no es posible conseguir una detección robusta de patrones comunes entre las imágenes capturadas por ambos sensores. Por lo general, la fusión entre estas cámaras se realiza mediante el cálculo de los parámetros de calibración de las mismas, que permiten realizar la trasformación homogénea entre ellas. Y como resultado de este xii Abstract procedimiento, se obtienen mapas de profundad y de color de baja resolución. Con el objetivo de mejorar la resolución de estos mapas y de evitar la pérdida de información de color, se utilizan diversas técnicas de extrapolación de datos. Un factor crucial a tomar en cuenta para la obtención de mapas de alta calidad y alta exactitud, es la presencia de ruido en las medidas de profundidad obtenidas por las cámaras ToF. Este problema, normalmente se reduce mediante la calibración de estos sensores y con técnicas de filtrado de datos. Sin embargo, las técnicas de filtrado utilizadas, tanto para la interpolación de datos, como para la reducción del ruido, suelen producir el sobre-alisamiento de los datos originales, lo cual reduce la exactitud del registro de imágenes...Sección Deptal. de Arquitectura de Computadores y Automática (Físicas)Fac. de Ciencias FísicasTRUEunpu

Distributed consensus in multi-robot systems with visual perception

La idea de equipos de robots actuando con autonomía y de manera cooperativa está cada día más cerca de convertirse en realidad. Los sistemas multi robot pueden ejecutar tareas de gran complejidad con mayor robustez y en menos tiempo que un robot trabajando solo. Por otra parte, la coordinación de un equipo de robots introduce complicaciones que los ingenieros encargados de diseñar estos sistemas deben afrontar. Conseguir que la percepción del entorno sea consistente en todos los robots es uno de los aspectos más importantes requeridos en cualquier tarea cooperativa, lo que implica que las observaciones de cada robot del equipo deben ser transmitidas a todos los otros miembros. Cuando dos o más robots poseen información común del entorno, el equipo debe alcanzar un consenso usando toda la información disponible. Esto se debe hacer considerando las limitaciones de cada robot, teniendo en cuenta que no todos los robots se pueden comunicar unos con otros. Con este objetivo, se aborda la tarea de diseñar algoritmos distribuidos que consigan que un equipo de robots llegue a un consenso acerca de la información percibida por todos los miembros. Específicamente, nos centramos en resolver este problema cuando los robots usan la visión como sensor para percibir el entorno. Las cámaras convencionales son muy útiles a la hora de ejecutar tareas como la navegación y la construcción de mapas, esenciales en el ámbito de la robótica, gracias a la gran cantidad de información que contiene cada imagen. Sin embargo, el uso de estos sensores en un marco distribuido introduce una gran cantidad de complicaciones adicionales que deben ser abordadas si se quiere cumplir el objetivo propuesto. En esta Tesis presentamos un estudio profundo de los algoritmos distribuidos de consenso y cómo estos pueden ser usados por un equipo de robots equipados con cámaras convencionales, resolviendo los aspectos más importantes relacionados con el uso de estos sensores. En la primera parte de la Tesis nos centramos en encontrar correspondencias globales entre las observaciones de todos los robots. De esta manera, los robots son capaces de detectar que observaciones deben ser combinadas para el cálculo del consenso. También lidiamos con el problema de la robustez y la detección distribuida de espurios durante el cálculo del consenso. Para contrarrestar el incremento del tamaño de los mensajes intercambiados por los robots en las etapas anteriores, usamos las propiedades de los polinomios de Chebyshev, reduciendo el número de iteraciones que se requieren para alcanzar el consenso. En la segunda parte de la Tesis, centramos nuestra atención en los problemas de crear un mapa y controlar el movimiento del equipo de robots. Presentamos soluciones para alcanzar un consenso en estos escenarios mediante el uso de técnicas de visión por computador ampliamente conocidas. El uso de algoritmos de estructura y movimiento nos permite obviar restricciones tales como que los robots tengan que observarse unos a otros directamente durante el control o la necesidad de especificar un marco de referencia común. Adicionalmente, nuestros algoritmos tienen un comportamiento robusto cuando la calibración de las cámaras no se conoce. Finalmente, la evaluación de las propuestas se realiza utilizando un data set de un entorno urbano y robots reales con restricciones de movimiento no holónomas. Todos los algoritmos que se presentan en esta Tesis han sido diseñados para ser ejecutados de manera distribuida. En la Tesis demostramos de manera teórica las principales propiedades de los algoritmos que se proponen y evaluamos la calidad de los mismos con datos simulados e imágenes reales. En resumen, las principales contribuciones de esta Tesis son: • Un conjunto de algoritmos distribuidos que permiten a un equipo de robots equipados con cámaras convencionales alcanzar un consenso acerca de la información que perciben. En particular, proponemos tres algoritmos distribuidos con el objetivo de resolver los problemas de encontrar correspondencias globales entre la información de todos los robots, detectar y descartar información espuria, y reducir el número de veces que los robots tienen que comunicarse entre ellos antes de alcanzar el consenso. • La combinación de técnicas de consenso distribuido y estructura y movimiento en tareas de control y percepción. Se ha diseñado un algoritmo para construir un mapa topológico de manera cooperativa usando planos como características del mapa y restricciones de homografía como elementos para relacionar las observaciones de los robots. También se ha propuesto una ley de control distribuida utilizando la geometría epipolar con el objetivo de hacer que el equipo de robots alcance una orientación común sin la necesidad de observarse directamente unos a otros

Mobile Robots Navigation

Mobile robots navigation includes different interrelated activities: (i) perception, as obtaining and interpreting sensory information; (ii) exploration, as the strategy that guides the robot to select the next direction to go; (iii) mapping, involving the construction of a spatial representation by using the sensory information perceived; (iv) localization, as the strategy to estimate the robot position within the spatial map; (v) path planning, as the strategy to find a path towards a goal location being optimal or not; and (vi) path execution, where motor actions are determined and adapted to environmental changes. The book addresses those activities by integrating results from the research work of several authors all over the world. Research cases are documented in 32 chapters organized within 7 categories next described

Mobile robot vavigation using a vision based approach

PhD ThesisThis study addresses the issue of vision based mobile robot navigation in a partially cluttered indoor environment using a mapless navigation strategy. The work focuses on two key problems, namely vision based obstacle avoidance and vision based reactive navigation strategy. The estimation of optical flow plays a key role in vision based obstacle avoidance problems, however the current view is that this technique is too sensitive to noise and distortion under real conditions. Accordingly, practical applications in real time robotics remain scarce. This dissertation presents a novel methodology for vision based obstacle avoidance, using a hybrid architecture. This integrates an appearance-based obstacle detection method into an optical flow architecture based upon a behavioural control strategy that includes a new arbitration module. This enhances the overall performance of conventional optical flow based navigation systems, enabling a robot to successfully move around without experiencing collisions. Behaviour based approaches have become the dominant methodologies for designing control strategies for robot navigation. Two different behaviour based navigation architectures have been proposed for the second problem, using monocular vision as the primary sensor and equipped with a 2-D range finder. Both utilize an accelerated version of the Scale Invariant Feature Transform (SIFT) algorithm. The first architecture employs a qualitative-based control algorithm to steer the robot towards a goal whilst avoiding obstacles, whereas the second employs an intelligent control framework. This allows the components of soft computing to be integrated into the proposed SIFT-based navigation architecture, conserving the same set of behaviours and system structure of the previously defined architecture. The intelligent framework incorporates a novel distance estimation technique using the scale parameters obtained from the SIFT algorithm. The technique employs scale parameters and a corresponding zooming factor as inputs to train a neural network which results in the determination of physical distance. Furthermore a fuzzy controller is designed and integrated into this framework so as to estimate linear velocity, and a neural network based solution is adopted to estimate the steering direction of the robot. As a result, this intelligent iv approach allows the robot to successfully complete its task in a smooth and robust manner without experiencing collision. MS Robotics Studio software was used to simulate the systems, and a modified Pioneer 3-DX mobile robot was used for real-time implementation. Several realistic scenarios were developed and comprehensive experiments conducted to evaluate the performance of the proposed navigation systems. KEY WORDS: Mobile robot navigation using vision, Mapless navigation, Mobile robot architecture, Distance estimation, Vision for obstacle avoidance, Scale Invariant Feature Transforms, Intelligent framework

Exploring Motion Signatures for Vision-Based Tracking, Recognition and Navigation

As cameras become more and more popular in intelligent systems, algorithms and systems for understanding video data become more and more important. There is a broad range of applications, including object detection, tracking, scene understanding, and robot navigation. Besides the stationary information, video data contains rich motion information of the environment. Biological visual systems, like human and animal eyes, are very sensitive to the motion information. This inspires active research on vision-based motion analysis in recent years. The main focus of motion analysis has been on low level motion representations of pixels and image regions. However, the motion signatures can benefit a broader range of applications if further in-depth analysis techniques are developed. In this dissertation, we mainly discuss how to exploit motion signatures to solve problems in two applications: object recognition and robot navigation. First, we use bird species recognition as the application to explore motion signatures for object recognition. We begin with study of the periodic wingbeat motion of flying birds. To analyze the wing motion of a flying bird, we establish kinematics models for bird wings, and obtain wingbeat periodicity in image frames after the perspective projection. Time series of salient extremities on bird images are extracted, and the wingbeat frequency is acquired for species classification. Physical experiments show that the frequency based recognition method is robust to segmentation errors and measurement lost up to 30%. In addition to the wing motion, the body motion of the bird is also analyzed to extract the flying velocity in 3D space. An interacting multi-model approach is then designed to capture the combined object motion patterns and different environment conditions. The proposed systems and algorithms are tested in physical experiments, and the results show a false positive rate of around 20% with a low false negative rate close to zero. Second, we explore motion signatures for vision-based vehicle navigation. We discover that motion vectors (MVs) encoded in Moving Picture Experts Group (MPEG) videos provide rich information of the motion in the environment, which can be used to reconstruct the vehicle ego-motion and the structure of the scene. However, MVs suffer from high noise level. To handle the challenge, an error propagation model for MVs is first proposed. Several steps, including MV merging, plane-at-infinity elimination, and planar region extraction, are designed to further reduce noises. The extracted planes are used as landmarks in an extended Kalman filter (EKF) for simultaneous localization and mapping. Results show that the algorithm performs localization and plane mapping with a relative trajectory error below 5:1%. Exploiting the fact that MVs encodes both environment information and moving obstacles, we further propose to track moving objects at the same time of localization and mapping. This enables the two critical navigation functionalities, localization and obstacle avoidance, to be performed in a single framework. MVs are labeled as stationary or moving according to their consistency to geometric constraints. Therefore, the extracted planes are separated into moving objects and the stationary scene. Multiple EKFs are used to track the static scene and the moving objects simultaneously. In physical experiments, we show a detection rate of moving objects at 96:6% and a mean absolute localization error below 3:5 meters

Vision system for autonomous navigation

This paper addresses the problem of vision based navigation in structured environments using homography. The approach makes a Manhattan World assumption and uses vanishing point to extract the approximate floor and wall planes. This preliminary segmentation of the image helps in the visual odometry pipeline by providing an approximate hypothesis for planes which are tracked over multiple frames to calculate motion trajectory of the camera. RanSaC based approach is used to calculate the vanishing point. A similar approach is used to calculate homography by tracking key-point over consecutive frames. The obtained homography model is compared with the homography models of planes detected through Vanishing Point based segmentation of image of a structured environment into its planar elements. This comparison provided with information about the camera motion and pose. The proposed method was applied to a dataset and the results compared against the ground truth

Place and Object Recognition for Real-time Visual Mapping

Este trabajo aborda dos de las principales dificultades presentes en los sistemas actuales de localización y creación de mapas de forma simultánea (del inglés Simultaneous Localization And Mapping, SLAM): el reconocimiento de lugares ya visitados para cerrar bucles en la trajectoria y crear mapas precisos, y el reconocimiento de objetos para enriquecer los mapas con estructuras de alto nivel y mejorar la interación entre robots y personas. En SLAM visual, las características que se extraen de las imágenes de una secuencia de vídeo se van acumulando con el tiempo, haciendo más laboriosos dos de los aspectos de la detección de bucles: la eliminación de los bucles incorrectos que se detectan entre lugares que tienen una apariencia muy similar, y conseguir un tiempo de ejecución bajo y factible en trayectorias largas. En este trabajo proponemos una técnica basada en vocabularios visuales y en bolsas de palabras para detectar bucles de manera robusta y eficiente, centrándonos en dos ideas principales: 1) aprovechar el origen secuencial de las imágenes de vídeo, y 2) hacer que todo el proceso pueda funcionar a frecuencia de vídeo. Para beneficiarnos del origen secuencial de las imágenes, presentamos una métrica de similaridad normalizada para medir el parecido entre imágenes e incrementar la distintividad de las detecciones correctas. A su vez, agrupamos los emparejamientos de imágenes candidatas a ser bucle para evitar que éstas compitan cuando realmente fueron tomadas desde el mismo lugar. Finalmente, incorporamos una restricción temporal para comprobar la coherencia entre detecciones consecutivas. La eficiencia se logra utilizando índices inversos y directos y características binarias. Un índice inverso acelera la comparación entre imágenes de lugares, y un índice directo, el cálculo de correspondencias de puntos entre éstas. Por primera vez, en este trabajo se han utilizado características binarias para detectar bucles, dando lugar a una solución viable incluso hasta para decenas de miles de imágenes. Los bucles se verifican comprobando la coherencia de la geometría de las escenas emparejadas. Para ello utilizamos varios métodos robustos que funcionan tanto con una como con múltiples cámaras. Presentamos resultados competitivos y sin falsos positivos en distintas secuencias, con imágenes adquiridas tanto a alta como a baja frecuencia, con cámaras frontales y laterales, y utilizando el mismo vocabulario y la misma configuración. Con descriptores binarios, el sistema completo requiere 22 milisegundos por imagen en una secuencia de 26.300 imágenes, resultando un orden de magnitud más rápido que otras técnicas actuales. Se puede utilizar un algoritmo similar al de reconocimiento de lugares para resolver el reconocimiento de objetos en SLAM visual. Detectar objetos en este contexto es particularmente complicado debido a que las distintas ubicaciones, posiciones y tamaños en los que se puede ver un objeto en una imagen son potencialmente infinitos, por lo que suelen ser difíciles de distinguir. Además, esta complejidad se multiplica cuando la comparación ha de hacerse contra varios objetos 3D. Nuestro esfuerzo en este trabajo está orientado a: 1) construir el primer sistema de SLAM visual que puede colocar objectos 3D reales en el mapa, y 2) abordar los problemas de escalabilidad resultantes al tratar con múltiples objetos y vistas de éstos. En este trabajo, presentamos el primer sistema de SLAM monocular que reconoce objetos 3D, los inserta en el mapa y refina su posición en el espacio 3D a medida que el mapa se va construyendo, incluso cuando los objetos dejan de estar en el campo de visión de la cámara. Esto se logra en tiempo real con modelos de objetos compuestos por información tridimensional y múltiples imágenes representando varios puntos de vista del objeto. Después nos centramos en la escalabilidad de la etapa del reconocimiento de los objetos 3D. Presentamos una técnica rápida para segmentar imágenes en regiones de interés para detectar objetos pequeños o lejanos. Tras ello, proponemos sustituir el modelo de objetos de vistas independientes por un modelado con una única bolsa de palabras de características binarias asociadas a puntos 3D. Creamos también una base de datos que incorpora índices inversos y directos para aprovechar sus ventajas a la hora de recuperar rápidamente tanto objetos candidatos a ser detectados como correspondencias de puntos, tal y como hacían en el caso de la detección de bucles. Los resultados experimentales muestran que nuestro sistema funciona en tiempo real en un entorno de escritorio con cámara en mano y en una habitación con una cámara montada sobre un robot autónomo. Las mejoras en el proceso de reconocimiento obtienen resultados satisfactorios, sin detecciones erróneas y con un tiempo de ejecución medio de 28 milisegundos por imagen con una base de datos de 20 objetos 3D

Exploring Motion Signatures for Vision-Based Tracking, Recognition and Navigation

As cameras become more and more popular in intelligent systems, algorithms and systems for understanding video data become more and more important. There is a broad range of applications, including object detection, tracking, scene understanding, and robot navigation. Besides the stationary information, video data contains rich motion information of the environment. Biological visual systems, like human and animal eyes, are very sensitive to the motion information. This inspires active research on vision-based motion analysis in recent years. The main focus of motion analysis has been on low level motion representations of pixels and image regions. However, the motion signatures can benefit a broader range of applications if further in-depth analysis techniques are developed. In this dissertation, we mainly discuss how to exploit motion signatures to solve problems in two applications: object recognition and robot navigation. First, we use bird species recognition as the application to explore motion signatures for object recognition. We begin with study of the periodic wingbeat motion of flying birds. To analyze the wing motion of a flying bird, we establish kinematics models for bird wings, and obtain wingbeat periodicity in image frames after the perspective projection. Time series of salient extremities on bird images are extracted, and the wingbeat frequency is acquired for species classification. Physical experiments show that the frequency based recognition method is robust to segmentation errors and measurement lost up to 30%. In addition to the wing motion, the body motion of the bird is also analyzed to extract the flying velocity in 3D space. An interacting multi-model approach is then designed to capture the combined object motion patterns and different environment conditions. The proposed systems and algorithms are tested in physical experiments, and the results show a false positive rate of around 20% with a low false negative rate close to zero. Second, we explore motion signatures for vision-based vehicle navigation. We discover that motion vectors (MVs) encoded in Moving Picture Experts Group (MPEG) videos provide rich information of the motion in the environment, which can be used to reconstruct the vehicle ego-motion and the structure of the scene. However, MVs suffer from high noise level. To handle the challenge, an error propagation model for MVs is first proposed. Several steps, including MV merging, plane-at-infinity elimination, and planar region extraction, are designed to further reduce noises. The extracted planes are used as landmarks in an extended Kalman filter (EKF) for simultaneous localization and mapping. Results show that the algorithm performs localization and plane mapping with a relative trajectory error below 5:1%. Exploiting the fact that MVs encodes both environment information and moving obstacles, we further propose to track moving objects at the same time of localization and mapping. This enables the two critical navigation functionalities, localization and obstacle avoidance, to be performed in a single framework. MVs are labeled as stationary or moving according to their consistency to geometric constraints. Therefore, the extracted planes are separated into moving objects and the stationary scene. Multiple EKFs are used to track the static scene and the moving objects simultaneously. In physical experiments, we show a detection rate of moving objects at 96:6% and a mean absolute localization error below 3:5 meters