Compact Model Representation for 3D Reconstruction

3D reconstruction from 2D images is a central problem in computer vision. Recent works have been focusing on reconstruction directly from a single image. It is well known however that only one image cannot provide enough information for such a reconstruction. A prior knowledge that has been entertained are 3D CAD models due to its online ubiquity. A fundamental question is how to compactly represent millions of CAD models while allowing generalization to new unseen objects with fine-scaled geometry. We introduce an approach to compactly represent a 3D mesh. Our method first selects a 3D model from a graph structure by using a novel free-form deformation FFD 3D-2D registration, and then the selected 3D model is refined to best fit the image silhouette. We perform a comprehensive quantitative and qualitative analysis that demonstrates impressive dense and realistic 3D reconstruction from single images.Comment: 9 pages, 6 figure

Intrinsic Dynamic Shape Prior for Fast, Sequential and Dense Non-Rigid Structure from Motion with Detection of Temporally-Disjoint Rigidity

While dense non-rigid structure from motion (NRSfM) has been extensively studied from the perspective of the reconstructability problem over the recent years, almost no attempts have been undertaken to bring it into the practical realm. The reasons for the slow dissemination are the severe ill-posedness, high sensitivity to motion and deformation cues and the difficulty to obtain reliable point tracks in the vast majority of practical scenarios. To fill this gap, we propose a hybrid approach that extracts prior shape knowledge from an input sequence with NRSfM and uses it as a dynamic shape prior for sequential surface recovery in scenarios with recurrence. Our Dynamic Shape Prior Reconstruction (DSPR) method can be combined with existing dense NRSfM techniques while its energy functional is optimised with stochastic gradient descent at real-time rates for new incoming point tracks. The proposed versatile framework with a new core NRSfM approach outperforms several other methods in the ability to handle inaccurate and noisy point tracks, provided we have access to a representative (in terms of the deformation variety) image sequence. Comprehensive experiments highlight convergence properties and the accuracy of DSPR under different disturbing effects. We also perform a joint study of tracking and reconstruction and show applications to shape compression and heart reconstruction under occlusions. We achieve state-of-the-art metrics (accuracy and compression ratios) in different scenarios

A scalable, efficient, and accurate solution to non-rigid structure from motion

© . This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Most Non-Rigid Structure from Motion (NRSfM) solutions are based on factorization approaches that allow reconstructing objects parameterized by a sparse set of 3D points. These solutions, however, are low resolution and generally, they do not scale well to more than a few tens of points. While there have been recent attempts at bringing NRSfM to a dense domain, using for instance variational formulations, these are computationally demanding alternatives which require certain spatial continuity of the data, preventing their use for articulated shapes with large deformations or situations with multiple discontinuous objects. In this paper, we propose incorporating existing point trajectory low-rank models into a probabilistic framework for matrix normal distributions. With this formalism, we can then simultaneously learn shape and pose parameters using expectation maximization, and easily exploit additional priors such as known point correlations. While similar frameworks have been used before to model distributions over shapes, here we show that formulating the problem in terms of distributions over trajectories brings remarkable improvements, especially in generality and efficiency. We evaluate the proposed approach in a variety of scenarios including one or multiple objects, sparse or dense reconstructions, missing observations, mild or sharp deformations, and in all cases, with minimal prior knowledge and low computational cost.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

MORPH-DSLAM: Model Order Reduction for PHysics-based Deformable SLAM

We propose a new methodology to estimate the 3D displacement field of deformable objects from video sequences using standard monocular cameras. We solve in real time the complete (possibly visco-)hyperelasticity problem to properly describe the strain and stress fields that are consistent with the displacements captured by the images, constrained by real physics. We do not impose any ad-hoc prior or energy minimization in the external surface, since the real and complete mechanics problem is solved. This means that we can also estimate the internal state of the objects, even in occluded areas, just by observing the external surface and the knowledge of material properties and geometry. Solving this problem in real time using a realistic constitutive law, usually non-linear, is out of reach for current systems. To overcome this difficulty, we solve off-line a parametrized problem that considers each source of variability in the problem as a new parameter and, consequently, as a new dimension in the formulation. Model Order Reduction methods allow us to reduce the dimensionality of the problem, and therefore, its computational cost, while preserving the visualization of the solution in the high-dimensionality space. This allows an accurate estimation of the object deformations, improving also the robustness in the 3D points estimation

A Benchmark and Evaluation of Non-Rigid Structure from Motion

Non-Rigid structure from motion (NRSfM), is a long standing and central problem in computer vision, allowing us to obtain 3D information from multiple images when the scene is dynamic. A main issue regarding the further development of this important computer vision topic, is the lack of high quality data sets. We here address this issue by presenting of data set compiled for this purpose, which is made publicly available, and considerably larger than previous state of the art. To validate the applicability of this data set, and provide and investigation into the state of the art of NRSfM, including potential directions forward, we here present a benchmark and a scrupulous evaluation using this data set. This benchmark evaluates 16 different methods with available code, which we argue reasonably spans the state of the art in NRSfM. We also hope, that the presented and public data set and evaluation, will provide benchmark tools for further development in this field

Real Time Sequential Non Rigid Structure from motion using a single camera

En la actualidad las aplicaciones que basan su funcionamiento en una correcta localización y reconstrucción dentro de un entorno real en 3D han experimentado un gran interés en los últimos años, tanto por la comunidad investigadora como por la industrial. Estas aplicaciones varían desde la realidad aumentada, la robótica, la simulación, los videojuegos, etc. Dependiendo de la aplicación y del nivel de detalle de la reconstrucción, se emplean diversos dispositivos, algunos específicos, más complejos y caros como las cámaras estéreo, cámara y profundidad (RGBD) con Luz estructurada y Time of Flight (ToF), así como láser y otros más avanzados. Para aplicaciones sencillas es suficiente con dispositivos de uso común, como los smartphones, en los que aplicando técnicas de visión artificial, se pueden obtener modelos 3D del entorno para, en el caso de la realidad aumentada, mostrar información aumentada en la ubicación seleccionada.En robótica, la localización y generación simultáneas de un mapa del entorno en 3D es una tarea fundamental para conseguir la navegación autónoma. Este problema se conoce en el estado del arte como Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) o Structure from Motion (SfM). Para la aplicación de estas técnicas, el objeto no ha de cambiar su forma a lo largo del tiempo. La reconstrucción es unívoca salvo factor de escala en captura monocular sin referencia. Si la condición de rigidez no se cumple, es porque la forma del objeto cambia a lo largo del tiempo. El problema sería equivalente a realizar una reconstrucción por fotograma, lo cual no se puede hacer de manera directa, puesto que diferentes formas, combinadas con diferentes poses de cámara pueden dar proyecciones similares. Es por esto que el campo de la reconstrucción de objetos deformables es todavía un área en desarrollo. Los métodos de SfM se han adaptado aplicando modelos físicos, restricciones temporales, espaciales, geométricas o de otros tipos para reducir la ambigüedad en las soluciones, naciendo así las técnicas conocidas como Non-Rigid SfM (NRSfM).En esta tesis se propone partir de una técnica de reconstrucción rígida bien conocida en el estado del arte como es PTAM (Parallel Tracking and Mapping) y adaptarla para incluir técnicas de NRSfM, basadas en modelo de bases lineales para estimar las deformaciones del objeto modelado dinámicamente y aplicar restricciones temporales y espaciales para mejorar las reconstrucciones, además de ir adaptándose a cambios de deformación que se presenten en la secuencia. Para ello, hay que realizar cambios de manera que cada uno de sus hilos de ejecución procesen datos no rígidos.El hilo encargado del seguimiento ya realizaba seguimiento basado en un mapa de puntos 3D, proporcionado a priori. La modificación más importante aquí es la integración de un modelo de deformación lineal para que se realice el cálculo de la deformación del objeto en tiempo real, asumiendo fijas las formas básicas de deformación. El cálculo de la pose de la cámara está basado en el sistema de estimación rígido, por lo que la estimación de pose y coeficientes de deformación se hace de manera alternada usando el algoritmo E-M (Expectation-Maximization). También, se imponen restricciones temporales y de forma para restringir las ambigüedades inherentes en las soluciones y mejorar la calidad de la estimación 3D.Respecto al hilo que gestiona el mapa, se actualiza en función del tiempo para que sea capaz de mejorar las bases de deformación cuando éstas no son capaces de explicar las formas que se ven en las imágenes actuales. Para ello, se sustituye la optimización de modelo rígido incluida en este hilo por un método de procesamiento exhaustivo NRSfM, para mejorar las bases acorde a las imágenes con gran error de reconstrucción desde el hilo de seguimiento. Con esto, el modelo se consigue adaptar a nuevas deformaciones, permitiendo al sistema evolucionar y ser estable a largo plazo.A diferencia de una gran parte de los métodos de la literatura, el sistema propuesto aborda el problema de la proyección perspectiva de forma nativa, minimizando los problemas de ambigüedad y de distancia al objeto existente en la proyección ortográfica. El sistema propuesto maneja centenares de puntos y está preparado para cumplir con restricciones de tiempo real para su aplicación en sistemas con recursos hardware limitados