Information-driven navigation

En los últimos años, hemos presenciado un progreso enorme de la precisión y la robustez de la “Odometría Visual” (VO) y del “Mapeo y la Localización Simultánea” (SLAM). Esta mejora de su funcionamiento ha permitido las primeras implementaciones comerciales relacionadascon la realidad aumentada (AR), la realidad virtual (VR) y la robótica. En esta tesis, desarrollamos nuevos métodos probabilísticos para mejorar la precisión, robustez y eficiencia de estas técnicas. Las contribuciones de nuestro trabajo están publicadas en tres artículos y se complementan con el lanzamiento de “SID-SLAM”, el software que contiene todas nuestras contribuciones, y del “Minimal Texture dataset”.Nuestra primera contribución es un algoritmo para la selección de puntos basado en Teoría de la Información para sistemas RGB-D VO/SLAM basados en métodos directos y/o en características visuales (features). El objetivo es seleccionar las medidas más informativas, para reducir el tama˜no del problema de optimización con un impacto mínimo en la precisión. Nuestros resultados muestran que nuestro nuevo criterio permitereducir el número de puntos hasta tan sólo 24 de ellos, alcanzando la precisión del estado del arte y reduciendo en hasta 10 veces la demanda computacional.El desarrollo de mejores modelos de incertidumbre para las medidas visuales mejoraría la precisión de la estructura y movimiento multi-vista y llevaría a estimaciones más realistas de la incertidumbre del estado en VO/SLAM. En esta tesis derivamos un modelo de covarianza para residuos multi-vista, que se convierte en un elemento crucial de nuestras contribuciones basadas en Teoría de la Información.La odometría visual y los sistemas de SLAM se dividen típicamente en la literatura en dos categorías, los basados en features y los métodos directos, dependiendo del tipo de residuos que son minimizados. En la última parte de la tesis combinamos nuestras dos contribucionesanteriores en la formulación e implementación de SID-SLAM, el primer sistema completo de SLAM semi-directo RGB-D que utiliza de forma integrada e indistinta features y métodos directos, en un sistema completo dirigido con información. Adicionalmente, grabamos ‘‘Minimal Texture”, un dataset RGB-D con un contenido visual conceptualmente simple pero arduo, con un ground truth preciso para facilitar la investigación del estado del arte en SLAM semi-directo.In the last years, we have witnessed an impressive progress in the accuracy and robustness of Visual Odometry (VO) and Simultaneous Localization and Mapping (SLAM). This boost in the performance has enabled the first commercial implementations related to augmented reality (AR), virtual reality (VR) and robotics. In this thesis, we developed new probabilistic methods to further improve the accuracy, robustness and efficiency of VO and SLAM. The contributions of our work are issued in three main publications and complemented with the release of SID-SLAM, the software containing all our contributions, and the challenging Mininal Texture dataset. Our first contribution is an information-theoretic approach to point selection for direct and/or feature-based RGB-D VO/SLAM. The aim is to select only the most informative measurements, in order to reduce the optimization problem with a minimal impact in the accuracy. Our experimental results show that our novel criteria allows us to reduce the number of tracked points down to only 24 of them, achieving state-of-the-art accuracy while reducing 10x the computational demand. Better uncertainty models for visual measurements will impact the accuracy of multi-view structure and motion and will lead to realistic uncertainty estimates of the VO/SLAM states. We derived a novel model for multi-view residual covariances based on perspective deformation, which has become a crucial element in our information-driven approach. Visual odometry and SLAM systems are typically divided in the literature into two categories, feature-based and direct methods, depending on the type of residuals that are minimized. We combined our two previous contributions in the formulation and implementation of SID-SLAM, the first full semi-direct RGB-D SLAM system that uses tightly and indistinctly features and direct methods within a complete information-driven pipeline. Moreover, we recorded Minimal Texture an RGB-D dataset with conceptually simple but challenging content, with accurate ground truth to facilitate state-of-the-art research on semi-direct SLAM.<br /

On the Redundancy Detection in Keyframe-based SLAM

Egomotion and scene estimation is a key component in automating robot navigation, as well as in virtual reality applications for mobile phones or head-mounted displays. It is well known, however, that with long exploratory trajectories and multi-session mapping for long-term autonomy or collaborative applications, the maintenance of the ever-increasing size of these maps quickly becomes a bottleneck. With the explosion of data resulting in increasing runtime of the optimization algorithms ensuring the accuracy of the Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) estimates, the large quantity of collected experiences is imposing hard limits on the scalability of such techniques. Considering the keyframe-based paradigm of SLAM techniques, this paper investigates the redundancy inherent in SLAM maps, by quantifying the information of different experiences of the scene as encoded in keyframes. Here we propose and evaluate different information-theoretic and heuristic metrics to remove dispensable scene measurements with minimal impact on the accuracy of the SLAM estimates. Evaluating the proposed metrics in two state-of-the-art centralized collaborative SLAM systems, we provide our key insights into how to identify redundancy in keyframe-based SLAM