Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multikamerasysteme werden heute bereits in einer Vielzahl von Fahrzeugen und mobilen Robotern eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von einfachen Assistenzfunktionen wie der Erzeugung einer virtuellen Rundumsicht bis hin zur Umfelderfassung, wie sie für teil- und vollautomatisches Fahren benötigt wird. Damit aus den Kamerabildern metrische Größen wie Distanzen und Winkel abgeleitet werden können und ein konsistentes Umfeldmodell aufgebaut werden kann, muss das Abbildungsverhalten der einzelnen Kameras sowie deren relative Lage zueinander bekannt sein. Insbesondere die Bestimmung der relativen Lage der Kameras zueinander, die durch die extrinsische Kalibrierung beschrieben wird, ist aufwendig, da sie nur im Gesamtverbund erfolgen kann. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass es über die Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg zu nicht vernachlässigbaren Veränderungen durch äußere Einflüsse kommt. Um den hohen Zeit- und Kostenaufwand einer regelmäßigen Wartung zu vermeiden, ist ein Selbstkalibrierungsverfahren erforderlich, das die extrinsischen Kalibrierparameter fortlaufend nachschätzt. Für die Selbstkalibrierung wird typischerweise das Vorhandensein überlappender Sichtbereiche ausgenutzt, um die extrinsische Kalibrierung auf der Basis von Bildkorrespondenzen zu schätzen. Falls die Sichtbereiche mehrerer Kameras jedoch nicht überlappen, lassen sich die Kalibrierparameter auch aus den relativen Bewegungen ableiten, die die einzelnen Kameras beobachten. Die Bewegung typischer Straßenfahrzeuge lässt dabei jedoch nicht die Bestimmung aller Kalibrierparameter zu. Um die vollständige Schätzung der Parameter zu ermöglichen, lassen sich weitere Bedingungsgleichungen, die sich z.B. aus der Beobachtung der Bodenebene ergeben, einbinden. In dieser Arbeit wird dazu in einer theoretischen Analyse gezeigt, welche Parameter sich aus der Kombination verschiedener Bedingungsgleichungen eindeutig bestimmen lassen. Um das Umfeld eines Fahrzeugs vollständig erfassen zu können, werden typischerweise Objektive, wie zum Beispiel Fischaugenobjektive, eingesetzt, die einen sehr großen Bildwinkel ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung von Bildkorrespondenzen vorgeschlagen, das die geometrischen Verzerrungen, die sich durch die Verwendung von Fischaugenobjektiven und sich stark ändernden Ansichten ergeben, berücksichtigt. Darauf aufbauend stellen wir ein robustes Verfahren zur Nachführung der Parameter der Bodenebene vor. Basierend auf der theoretischen Analyse der Beobachtbarkeit und den vorgestellten Verfahren stellen wir ein robustes, rekursives Kalibrierverfahren vor, das auf einem erweiterten Kalman-Filter aufbaut. Das vorgestellte Kalibrierverfahren zeichnet sich insbesondere durch die geringe Anzahl von internen Parametern, sowie durch die hohe Flexibilität hinsichtlich der einbezogenen Bedingungsgleichungen aus und basiert einzig auf den Bilddaten des Multikamerasystems. In einer umfangreichen experimentellen Auswertung mit realen Daten vergleichen wir die Ergebnisse der auf unterschiedlichen Bedingungsgleichungen und Bewegungsmodellen basierenden Verfahren mit den aus einer Referenzkalibrierung bestimmten Parametern. Die besten Ergebnisse wurden dabei durch die Kombination aller vorgestellten Bedingungsgleichungen erzielt. Anhand mehrerer Beispiele zeigen wir, dass die erreichte Genauigkeit ausreichend für eine Vielzahl von Anwendungen ist

Toward knowledge-based automatic 3D spatial topological modeling from LiDAR point clouds for urban areas

Le traitement d'un très grand nombre de données LiDAR demeure très coûteux et nécessite des approches de modélisation 3D automatisée. De plus, les nuages de points incomplets causés par l'occlusion et la densité ainsi que les incertitudes liées au traitement des données LiDAR compliquent la création automatique de modèles 3D enrichis sémantiquement. Ce travail de recherche vise à développer de nouvelles solutions pour la création automatique de modèles géométriques 3D complets avec des étiquettes sémantiques à partir de nuages de points incomplets. Un cadre intégrant la connaissance des objets à la modélisation 3D est proposé pour améliorer la complétude des modèles géométriques 3D en utilisant un raisonnement qualitatif basé sur les informations sémantiques des objets et de leurs composants, leurs relations géométriques et spatiales. De plus, nous visons à tirer parti de la connaissance qualitative des objets en reconnaissance automatique des objets et à la création de modèles géométriques 3D complets à partir de nuages de points incomplets. Pour atteindre cet objectif, plusieurs solutions sont proposées pour la segmentation automatique, l'identification des relations topologiques entre les composants de l'objet, la reconnaissance des caractéristiques et la création de modèles géométriques 3D complets. (1) Des solutions d'apprentissage automatique ont été proposées pour la segmentation sémantique automatique et la segmentation de type CAO afin de segmenter des objets aux structures complexes. (2) Nous avons proposé un algorithme pour identifier efficacement les relations topologiques entre les composants d'objet extraits des nuages de points afin d'assembler un modèle de Représentation Frontière. (3) L'intégration des connaissances sur les objets et la reconnaissance des caractéristiques a été développée pour inférer automatiquement les étiquettes sémantiques des objets et de leurs composants. Afin de traiter les informations incertitudes, une solution de raisonnement automatique incertain, basée sur des règles représentant la connaissance, a été développée pour reconnaître les composants du bâtiment à partir d'informations incertaines extraites des nuages de points. (4) Une méthode heuristique pour la création de modèles géométriques 3D complets a été conçue en utilisant les connaissances relatives aux bâtiments, les informations géométriques et topologiques des composants du bâtiment et les informations sémantiques obtenues à partir de la reconnaissance des caractéristiques. Enfin, le cadre proposé pour améliorer la modélisation 3D automatique à partir de nuages de points de zones urbaines a été validé par une étude de cas visant à créer un modèle de bâtiment 3D complet. L'expérimentation démontre que l'intégration des connaissances dans les étapes de la modélisation 3D est efficace pour créer un modèle de construction complet à partir de nuages de points incomplets.The processing of a very large set of LiDAR data is very costly and necessitates automatic 3D modeling approaches. In addition, incomplete point clouds caused by occlusion and uneven density and the uncertainties in the processing of LiDAR data make it difficult to automatic creation of semantically enriched 3D models. This research work aims at developing new solutions for the automatic creation of complete 3D geometric models with semantic labels from incomplete point clouds. A framework integrating knowledge about objects in urban scenes into 3D modeling is proposed for improving the completeness of 3D geometric models using qualitative reasoning based on semantic information of objects and their components, their geometric and spatial relations. Moreover, we aim at taking advantage of the qualitative knowledge of objects in automatic feature recognition and further in the creation of complete 3D geometric models from incomplete point clouds. To achieve this goal, several algorithms are proposed for automatic segmentation, the identification of the topological relations between object components, feature recognition and the creation of complete 3D geometric models. (1) Machine learning solutions have been proposed for automatic semantic segmentation and CAD-like segmentation to segment objects with complex structures. (2) We proposed an algorithm to efficiently identify topological relationships between object components extracted from point clouds to assemble a Boundary Representation model. (3) The integration of object knowledge and feature recognition has been developed to automatically obtain semantic labels of objects and their components. In order to deal with uncertain information, a rule-based automatic uncertain reasoning solution was developed to recognize building components from uncertain information extracted from point clouds. (4) A heuristic method for creating complete 3D geometric models was designed using building knowledge, geometric and topological relations of building components, and semantic information obtained from feature recognition. Finally, the proposed framework for improving automatic 3D modeling from point clouds of urban areas has been validated by a case study aimed at creating a complete 3D building model. Experiments demonstrate that the integration of knowledge into the steps of 3D modeling is effective in creating a complete building model from incomplete point clouds