NeuralBlox: Real-Time Neural Representation Fusion for Robust Volumetric Mapping

We present a novel 3D mapping method leveraging the recent progress in neural implicit representation for 3D reconstruction. Most existing state-of-the-art neural implicit representation methods are limited to object-level reconstructions and can not incrementally perform updates given new data. In this work, we propose a fusion strategy and training pipeline to incrementally build and update neural implicit representations that enable the reconstruction of large scenes from sequential partial observations. By representing an arbitrarily sized scene as a grid of latent codes and performing updates directly in latent space, we show that incrementally built occupancy maps can be obtained in real-time even on a CPU. Compared to traditional approaches such as Truncated Signed Distance Fields (TSDFs), our map representation is significantly more robust in yielding a better scene completeness given noisy inputs. We demonstrate the performance of our approach in thorough experimental validation on real-world datasets with varying degrees of added pose noise.Comment: 3DV 2021. Equal contribution between the first two authors. Code: https://github.com/ethz-asl/neuralblo

Analyzing Structured Scenarios by Tracking People and Their Limbs

The analysis of human activities is a fundamental problem in computer vision. Though complex, interactions between people and their environment often exhibit a spatio-temporal structure that can be exploited during analysis. This structure can be leveraged to mitigate the effects of missing or noisy visual observations caused, for example, by sensor noise, inaccurate models, or occlusion. Trajectories of people and their hands and feet, often sufficient for recognition of human activities, lead to a natural qualitative spatio-temporal description of these interactions. This work introduces the following contributions to the task of human activity understanding: 1) a framework that efficiently detects and tracks multiple interacting people and their limbs, 2) an event recognition approach that integrates both logical and probabilistic reasoning in analyzing the spatio-temporal structure of multi-agent scenarios, and 3) an effective computational model of the visibility constraints imposed on humans as they navigate through their environment. The tracking framework mixes probabilistic models with deterministic constraints and uses AND/OR search and lazy evaluation to efficiently obtain the globally optimal solution in each frame. Our high-level reasoning framework efficiently and robustly interprets noisy visual observations to deduce the events comprising structured scenarios. This is accomplished by combining First-Order Logic, Allen's Interval Logic, and Markov Logic Networks with an event hypothesis generation process that reduces the size of the ground Markov network. When applied to outdoor one-on-one basketball videos, our framework tracks the players and, guided by the game rules, analyzes their interactions with each other and the ball, annotating the videos with the relevant basketball events that occurred. Finally, motivated by studies of spatial behavior, we use a set of features from visibility analysis to represent spatial context in the interpretation of human spatial activities. We demonstrate the effectiveness of our representation on trajectories generated by humans in a virtual environment

Deep Learning for 3D Visual Perception

La percepción visual 3D se refiere al conjunto de problemas que engloban la reunión de información a través de un sensor visual y la estimación la posición tridimensional y estructura de los objetos y formaciones al rededor del sensor. Algunas funcionalidades como la estimación de la ego moción o construcción de mapas are esenciales para otras tareas de más alto nivel como conducción autónoma o realidad aumentada. En esta tesis se han atacado varios desafíos en la percepción 3D, todos ellos útiles desde la perspectiva de SLAM (Localización y Mapeo Simultáneos) que en si es un problema de percepción 3D.Localización y Mapeo Simultáneos –SLAM– busca realizar el seguimiento de la posición de un dispositivo (por ejemplo de un robot, un teléfono o unas gafas de realidad virtual) con respecto al mapa que está construyendo simultáneamente mientras la plataforma explora el entorno. SLAM es una tecnología muy relevante en distintas aplicaciones como realidad virtual, realidad aumentada o conducción autónoma. SLAM Visual es el termino utilizado para referirse al problema de SLAM resuelto utilizando unicamente sensores visuales. Muchas de las piezas del sistema ideal de SLAM son, hoy en día, bien conocidas, maduras y en muchos casos presentes en aplicaciones. Sin embargo, hay otras piezas que todavía presentan desafíos de investigación significantes. En particular, en los que hemos trabajado en esta tesis son la estimación de la estructura 3D al rededor de una cámara a partir de una sola imagen, reconocimiento de lugares ya visitados bajo cambios de apariencia drásticos, reconstrucción de alto nivel o SLAM en entornos dinámicos; todos ellos utilizando redes neuronales profundas.Estimación de profundidad monocular is la tarea de percibir la distancia a la cámara de cada uno de los pixeles en la imagen, utilizando solo la información que obtenemos de una única imagen. Este es un problema mal condicionado, y por lo tanto es muy difícil de inferir la profundidad exacta de los puntos en una sola imagen. Requiere conocimiento de lo que se ve y del sensor que utilizamos. Por ejemplo, si podemos saber que un modelo de coche tiene cierta altura y también sabemos el tipo de cámara que hemos utilizado (distancia focal, tamaño de pixel...); podemos decir que si ese coche tiene cierta altura en la imagen, por ejemplo 50 pixeles, esta a cierta distancia de la cámara. Para ello nosotros presentamos el primer trabajo capaz de estimar profundidad a partir de una sola vista que es capaz de obtener un funcionamiento razonable con múltiples tipos de cámara; como un teléfono o una cámara de video.También presentamos como estimar, utilizando una sola imagen, la estructura de una habitación o el plan de la habitación. Para este segundo trabajo, aprovechamos imágenes esféricas tomadas por una cámara panorámica utilizando una representación equirectangular. Utilizando estas imágenes recuperamos el plan de la habitación, nuestro objetivo es reconocer las pistas en la imagen que definen la estructura de una habitación. Nos centramos en recuperar la versión más simple, que son las lineas que separan suelo, paredes y techo.Localización y mapeo a largo plazo requiere dar solución a los cambios de apariencia en el entorno; el efecto que puede tener en una imagen tomarla en invierno o verano puede ser muy grande. Introducimos un modelo multivista invariante a cambios de apariencia que resuelve el problema de reconocimiento de lugares de forma robusta. El reconocimiento de lugares visual trata de identificar un lugar que ya hemos visitado asociando pistas visuales que se ven en las imágenes; la tomada en el pasado y la tomada en el presente. Lo preferible es ser invariante a cambios en punto de vista, iluminación, objetos dinámicos y cambios de apariencia a largo plazo como el día y la noche, las estaciones o el clima.Para tener funcionalidad a largo plazo también presentamos DynaSLAM, un sistema de SLAM que distingue las partes estáticas y dinámicas de la escena. Se asegura de estimar su posición unicamente basándose en las partes estáticas y solo reconstruye el mapa de las partes estáticas. De forma que si visitamos una escena de nuevo, nuestro mapa no se ve afectado por la presencia de nuevos objetos dinámicos o la desaparición de los anteriores.En resumen, en esta tesis contribuimos a diferentes problemas de percepción 3D; todos ellos resuelven problemas del SLAM Visual.<br /