Topological place recognition for life-long visual localization

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2016-2017La navegación de vehículos inteligentes o robots móviles en períodos largos de tiempo ha experimentado un gran interés por parte de la comunidad investigadora en los últimos años. Los sistemas basados en cámaras se han extendido ampliamente en el pasado reciente gracias a las mejoras en sus características, precio y reducción de tamaño, añadidos a los progresos en técnicas de visión artificial. Por ello, la localización basada en visión es una aspecto clave para desarrollar una navegación autónoma robusta en situaciones a largo plazo. Teniendo en cuenta esto, la identificación de localizaciones por medio de técnicas de reconocimiento de lugar topológicas puede ser complementaria a otros enfoques como son las soluciones basadas en el Global Positioning System (GPS), o incluso suplementaria cuando la señal GPS no está disponible.El estado del arte en reconocimiento de lugar topológico ha mostrado un funcionamiento satisfactorio en el corto plazo. Sin embargo, la localización visual a largo plazo es problemática debido a los grandes cambios de apariencia que un lugar sufre como consecuencia de elementos dinámicos, la iluminación o la climatología, entre otros. El objetivo de esta tesis es enfrentarse a las dificultades de llevar a cabo una localización topológica eficiente y robusta a lo largo del tiempo. En consecuencia, se van a contribuir dos nuevos enfoques basados en reconocimiento visual de lugar para resolver los diferentes problemas asociados a una localización visual a largo plazo. Por un lado, un método de reconocimiento de lugar visual basado en descriptores binarios es propuesto. La innovación de este enfoque reside en la descripción global de secuencias de imágenes como códigos binarios, que son extraídos mediante un descriptor basado en la técnica denominada Local Difference Binary (LDB). Los descriptores son eficientemente asociados usando la distancia de Hamming y un método de búsqueda conocido como Approximate Nearest Neighbors (ANN). Además, una técnica de iluminación invariante es aplicada para mejorar el funcionamiento en condiciones luminosas cambiantes. El empleo de la descripción binaria previamente introducida proporciona una reducción de los costes computacionales y de memoria.Por otro lado, también se presenta un método de reconocimiento de lugar visual basado en deep learning, en el cual los descriptores aplicados son procesados por una Convolutional Neural Network (CNN). Este es un concepto recientemente popularizado en visión artificial que ha obtenido resultados impresionantes en problemas de clasificación de imagen. La novedad de nuestro enfoque reside en la fusión de la información de imagen de múltiples capas convolucionales a varios niveles y granularidades. Además, los datos redundantes de los descriptores basados en CNNs son comprimidos en un número reducido de bits para una localización más eficiente. El descriptor final es condensado aplicando técnicas de compresión y binarización para realizar una asociación usando de nuevo la distancia de Hamming. En términos generales, los métodos centrados en CNNs mejoran la precisión generando representaciones visuales de las localizaciones más detalladas, pero son más costosos en términos de computación.Ambos enfoques de reconocimiento de lugar visual son extensamente evaluados sobre varios datasets públicos. Estas pruebas arrojan una precisión satisfactoria en situaciones a largo plazo, como es corroborado por los resultados mostrados, que comparan nuestros métodos contra los principales algoritmos del estado del arte, mostrando mejores resultados para todos los casos.Además, también se ha analizado la aplicabilidad de nuestro reconocimiento de lugar topológico en diferentes problemas de localización. Estas aplicaciones incluyen la detección de cierres de lazo basada en los lugares reconocidos o la corrección de la deriva acumulada en odometría visual usando la información proporcionada por los cierres de lazo. Asimismo, también se consideran las aplicaciones de la detección de cambios geométricos a lo largo de las estaciones del año, que son esenciales para las actualizaciones de los mapas en sistemas de conducción autónomos centrados en una operación a largo plazo. Todas estas contribuciones son discutidas al final de la tesis, incluyendo varias conclusiones sobre el trabajo presentado y líneas de investigación futuras

Cartographie hybride pour des environnements de grande taille

In this thesis, a novel vision based hybrid mapping framework which exploits metric, topological and semantic information is presented. We aim to obtain better computational efficiency than pure metrical mapping techniques, better accuracy as well as usability for robot guidance compared to the topological mapping. A crucial step of any mapping system is the loop closure detection which is the ability of knowing if the robot is revisiting a previously mapped area. Therefore, we first propose a hierarchical loop closure detection framework which also constructs the global topological structure of our hybrid map. Using this loop closure detection module, a hybrid mapping framework is proposed in two step. The first step can be understood as a topo-metric map with nodes corresponding to certain regions in the environment. Each node in turn is made up of a set of images acquired in that region. These maps are further augmented with metric information at those nodes which correspond to image sub-sequences acquired while the robot is revisiting the previously mapped area. The second step augments this model by using road semantics. A Conditional Random Field based classification on the metric reconstruction is used to semantically label the local robot path (road in our case) as straight, curved or junctions. Metric information of regions with curved roads and junctions is retained while that of other regions is discarded in the final map. Loop closure is performed only on junctions thereby increasing the efficiency and also accuracy of the map. By incorporating all of these new algorithms, the hybrid framework presented can perform as a robust, scalable SLAM approach, or act as a main part of a navigation tool which could be used on a mobile robot or an autonomous car in outdoor urban environments. Experimental results obtained on public datasets acquired in challenging urban environments are provided to demonstrate our approach.Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle méthode de cartographie visuelle hybride qui exploite des informations métriques, topologiques et sémantiques. Notre but est de réduire le coût calculatoire par rapport à des techniques de cartographie purement métriques. Comparé à de la cartographie topologique, nous voulons plus de précision ainsi que la possibilité d’utiliser la carte pour le guidage de robots. Cette méthode hybride de construction de carte comprend deux étapes. La première étape peut être vue comme une carte topo-métrique avec des nœuds correspondants à certaines régions de l’environnement. Ces cartes sont ensuite complétées avec des données métriques aux nœuds correspondant à des sous-séquences d’images acquises quand le robot revenait dans des zones préalablement visitées. La deuxième étape augmente ce modèle en ajoutant des informations sémantiques. Une classification est effectuée sur la base des informations métriques en utilisant des champs de Markov conditionnels (CRF) pour donner un label sémantique à la trajectoire locale du robot (la route dans notre cas) qui peut être "doit", "virage" ou "intersection". L’information métrique des secteurs de route en virage ou en intersection est conservée alors que la métrique des lignes droites est effacée de la carte finale. La fermeture de boucle n’est réalisée que dans les intersections ce qui accroît l’efficacité du calcul et la précision de la carte. En intégrant tous ces nouveaux algorithmes, cette méthode hybride est robuste et peut être étendue à des environnements de grande taille. Elle peut être utilisée pour la navigation d’un robot mobile ou d’un véhicule autonome en environnement urbain. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus sur des jeux de données publics acquis en milieu urbain pour démontrer l’efficacité de l’approche proposée

The Revisiting Problem in Simultaneous Localization and Mapping: A Survey on Visual Loop Closure Detection

Where am I? This is one of the most critical questions that any intelligent system should answer to decide whether it navigates to a previously visited area. This problem has long been acknowledged for its challenging nature in simultaneous localization and mapping (SLAM), wherein the robot needs to correctly associate the incoming sensory data to the database allowing consistent map generation. The significant advances in computer vision achieved over the last 20 years, the increased computational power, and the growing demand for long-term exploration contributed to efficiently performing such a complex task with inexpensive perception sensors. In this article, visual loop closure detection, which formulates a solution based solely on appearance input data, is surveyed. We start by briefly introducing place recognition and SLAM concepts in robotics. Then, we describe a loop closure detection system's structure, covering an extensive collection of topics, including the feature extraction, the environment representation, the decision-making step, and the evaluation process. We conclude by discussing open and new research challenges, particularly concerning the robustness in dynamic environments, the computational complexity, and scalability in long-term operations. The article aims to serve as a tutorial and a position paper for newcomers to visual loop closure detection.Comment: 25 pages, 15 figure

Localización y mapeado simultáneos en robótica mediante visión omnidireccional

Algoritmos de localización y SLAM para cámaras omnidireccionales que utilizan como balizas las luces del entorno, capaces de operar en tiempo real y bajo oclusiones frecuentes y severas