Angular variation as a monocular cue for spatial percepcion

Monocular cues are spatial sensory inputs which are picked up exclusively from one eye. They are in majority static features that provide depth information and are extensively used in graphic art to create realistic representations of a scene. Since the spatial information contained in these cues is picked up from the retinal image, the existence of a link between it and the theory of direct perception can be conveniently assumed. According to this theory, spatial information of an environment is directly contained in the optic array. Thus, this assumption makes possible the modeling of visual perception processes through computational approaches. In this thesis, angular variation is considered as a monocular cue, and the concept of direct perception is adopted by a computer vision approach that considers it as a suitable principle from which innovative techniques to calculate spatial information can be developed. The expected spatial information to be obtained from this monocular cue is the position and orientation of an object with respect to the observer, which in computer vision is a well known field of research called 2D-3D pose estimation. In this thesis, the attempt to establish the angular variation as a monocular cue and thus the achievement of a computational approach to direct perception is carried out by the development of a set of pose estimation methods. Parting from conventional strategies to solve the pose estimation problem, a first approach imposes constraint equations to relate object and image features. In this sense, two algorithms based on a simple line rotation motion analysis were developed. These algorithms successfully provide pose information; however, they depend strongly on scene data conditions. To overcome this limitation, a second approach inspired in the biological processes performed by the human visual system was developed. It is based in the proper content of the image and defines a computational approach to direct perception. The set of developed algorithms analyzes the visual properties provided by angular variations. The aim is to gather valuable data from which spatial information can be obtained and used to emulate a visual perception process by establishing a 2D-3D metric relation. Since it is considered fundamental in the visual-motor coordination and consequently essential to interact with the environment, a significant cognitive effect is produced by the application of the developed computational approach in environments mediated by technology. In this work, this cognitive effect is demonstrated by an experimental study where a number of participants were asked to complete an action-perception task. The main purpose of the study was to analyze the visual guided behavior in teleoperation and the cognitive effect caused by the addition of 3D information. The results presented a significant influence of the 3D aid in the skill improvement, which showed an enhancement of the sense of presence.Las señales monoculares son entradas sensoriales capturadas exclusivamente por un solo ojo que ayudan a la percepción de distancia o espacio. Son en su mayoría características estáticas que proveen información de profundidad y son muy utilizadas en arte gráfico para crear apariencias reales de una escena. Dado que la información espacial contenida en dichas señales son extraídas de la retina, la existencia de una relación entre esta extracción de información y la teoría de percepción directa puede ser convenientemente asumida. De acuerdo a esta teoría, la información espacial de todo le que vemos está directamente contenido en el arreglo óptico. Por lo tanto, esta suposición hace posible el modelado de procesos de percepción visual a través de enfoques computacionales. En esta tesis doctoral, la variación angular es considerada como una señal monocular, y el concepto de percepción directa adoptado por un enfoque basado en algoritmos de visión por computador que lo consideran un principio apropiado para el desarrollo de nuevas técnicas de cálculo de información espacial. La información espacial esperada a obtener de esta señal monocular es la posición y orientación de un objeto con respecto al observador, lo cual en visión por computador es un conocido campo de investigación llamado estimación de la pose 2D-3D. En esta tesis doctoral, establecer la variación angular como señal monocular y conseguir un modelo matemático que describa la percepción directa, se lleva a cabo mediante el desarrollo de un grupo de métodos de estimación de la pose. Partiendo de estrategias convencionales, un primer enfoque implanta restricciones geométricas en ecuaciones para relacionar características del objeto y la imagen. En este caso, dos algoritmos basados en el análisis de movimientos de rotación de una línea recta fueron desarrollados. Estos algoritmos exitosamente proveen información de la pose. Sin embargo, dependen fuertemente de condiciones de la escena. Para superar esta limitación, un segundo enfoque inspirado en los procesos biológicos ejecutados por el sistema visual humano fue desarrollado. Está basado en el propio contenido de la imagen y define un enfoque computacional a la percepción directa. El grupo de algoritmos desarrollados analiza las propiedades visuales suministradas por variaciones angulares. El propósito principal es el de reunir datos de importancia con los cuales la información espacial pueda ser obtenida y utilizada para emular procesos de percepción visual mediante el establecimiento de relaciones métricas 2D- 3D. Debido a que dicha relación es considerada fundamental en la coordinación visuomotora y consecuentemente esencial para interactuar con lo que nos rodea, un efecto cognitivo significativo puede ser producido por la aplicación de métodos de L estimación de pose en entornos mediados tecnológicamente. En esta tesis doctoral, este efecto cognitivo ha sido demostrado por un estudio experimental en el cual un número de participantes fueron invitados a ejecutar una tarea de acción-percepción. El propósito principal de este estudio fue el análisis de la conducta guiada visualmente en teleoperación y el efecto cognitivo causado por la inclusión de información 3D. Los resultados han presentado una influencia notable de la ayuda 3D en la mejora de la habilidad, así como un aumento de la sensación de presencia

Fusion de données capteurs visuels et inertiels pour l'estimation de la pose d'un corps rigide

AbstractThis thesis addresses the problems of pose estimation of a rigid body moving in 3D space by fusing data from inertial and visual sensors. The inertial measurements are provided from an I.M.U. (Inertial Measurement Unit) composed by accelerometers and gyroscopes. Visual data are from cameras, which positioned on the moving object, provide images representative of the perceived visual field. Thus, the implicit measure directions of fixed lines in the space of the scene from their projections on the plane of the image will be used in the attitude estimation. The approach was first to address the problem of measuring visual sensors after a long sequence using the characteristics of the image. Thus, a line tracking algorithm has been proposed based on optical flow of the extracted points and line matching approach by minimizing the Euclidean distance. Thereafter, an observer in the SO(3) space has been proposed to estimate the relative orientation of the object in the 3D scene by merging the data from the proposed lines tracking algorithm with Gyro data. The observer gain was developed using a Kalman filter type M.E.K.F. (Multiplicative Extended Kalman Filter). The problem of ambiguity in the sign of the measurement directions of the lines was considered in the design of the observer. Finally, the estimation of the relative position and the absolute velocity of the rigid body in the 3D scene have been processed. Two observers were proposed: the first one is an observer cascaded with decoupled from the estimation of the attitude and position estimation. The estimation result of the attitude observer feeds a nonlinear observer using measurements from the accelerometers in order to provide an estimate of the relative position and the absolute velocity of the rigid body. The second observer, designed directly in SE (3) for simultaneously estimating the position and orientation of a rigid body in 3D scene by fusing inertial data (accelerometers, gyroscopes), and visual data using a Kalman filter (M.E.K.F.). The performance of the proposed methods are illustrated and validated by different simulation resultsCette thèse traite la problématique d'estimation de la pose (position relative et orientation) d'un corps rigide en mouvement dans l’espace 3D par fusion de données issues de capteurs inertiels et visuels. Les mesures inertielles sont fournies à partir d’une centrale inertielle composée de gyroscopes 3 axes et d’accéléromètres 3 axes. Les données visuelles sont issues d’une caméra. Celle-ci est positionnée sur le corps rigide en mouvement, elle fournit des images représentatives du champ visuel perçu. Ainsi, les mesures implicites des directions des lignes, supposées fixes dans l’espace de la scène, projetées sur le plan de l’image seront utilisées dans l’algorithme d’estimation de l’attitude. La démarche consistait d’abord à traiter le problème de la mesure issue du capteur visuel sur une longue séquence en utilisant les caractéristiques de l’image. Ainsi, un algorithme de suivi de lignes a été proposé en se basant sur les techniques de calcul du flux optique des points extraits des lignes à suivre et utilisant une approche de mise en correspondance par minimisation de la distance euclidienne. Par la suite, un observateur conçu dans l’espace SO(3) a été proposé afin d’estimer l’orientation relative du corps rigide dans la scène 3D en fusionnant les données issues de l’algorithme de suivi de lignes avec les données des gyroscopes. Le gain de l’observateur a été élaboré en utilisant un filtre de Kalman de type M.E.K.F. (Multiplicative Extended Kalman Filter). Le problème de l’ambigüité du signe dû à la mesure implicite des directions des lignes a été considéré dans la conception de cet observateur. Enfin, l’estimation de la position relative et de la vitesse absolue du corps rigide dans la scène 3D a été traitée. Deux observateurs ont été proposés : le premier est un observateur en cascade avec découplage entre l’estimation de l’attitude et l’estimation de la position. L’estimation issue de l’observateur d’attitude alimente un observateur non linéaire utilisant des mesures issues des accéléromètres afin de fournir une estimation de la position relative et de la vitesse absolue du corps rigide. Le deuxième observateur, conçu quant à lui directement dans SE(3) , utilise un filtre de Kalman de type M.E.K.F afin d’estimer la pose par fusion de données inertielles (accéléromètres, gyromètres) et des données visuelles. Les performances des méthodes proposées sont illustrées et validées par différents résultats de simulatio