Learning the surroundings: 3D scene understanding from omnidirectional images

Las redes neuronales se han extendido por todo el mundo, siendo utilizadas en una gran variedad de aplicaciones. Estos métodos son capaces de reconocer música y audio, generar textos completos a partir de ideas simples u obtener información detallada y relevante de imágenes y videos. Las posibilidades que ofrecen las redes neuronales y métodos de aprendizaje profundo son incontables, convirtiéndose en la principal herramienta de investigación y nuevas aplicaciones en nuestra vida diaria. Al mismo tiempo, las imágenes omnidireccionales se están extendiendo dentro de la industria y nuestra sociedad, causando que la visión omnidireccional gane atención. A partir de imágenes 360 capturamos toda la información que rodea a la cámara en una sola toma.La combinación del aprendizaje profundo y la visión omnidireccional ha atraído a muchos investigadores. A partir de una única imagen omnidireccional se obtiene suficiente información del entorno para que una red neuronal comprenda sus alrededores y pueda interactuar con el entorno. Para aplicaciones como navegación y conducción autónoma, el uso de cámaras omnidireccionales proporciona información en torno del robot, person o vehículo, mientras que las cámaras convencionales carecen de esta información contextual debido a su reducido campo de visión. Aunque algunas aplicaciones pueden incluir varias cámaras convencionales para aumentar el campo de visión del sistema, tareas en las que el peso es importante (P.ej. guiado de personas con discapacidad visual o navegación de drones autónomos), un número reducido de dispositivos es altamente deseable.En esta tesis nos centramos en el uso conjunto de cámaras omnidireccionales, aprendizaje profundo, geometría y fotometría. Evaluamos diferentes enfoques para tratar con imágenes omnidireccionales, adaptando métodos a los modelos de proyección omnidireccionales y proponiendo nuevas soluciones para afrontar los retos de este tipo de imágenes. Para la comprensión de entornos interiores, proponemos una nueva red neuronal que obtiene segmentación semántica y mapas de profundidad de forma conjunta a partir de un único panoramaequirectangular. Nuestra red logra, con un nuevo enfoque convolucional, aprovechar la información del entorno proporcionada por la imagen panorámica y explotar la información combinada de semántica y profundidad. En el mismo tema, combinamos aprendizaje profundo y soluciones geométricas para recuperar el diseño estructural, junto con su escala, de entornos de interior a partir de un único panorama no central. Esta combinación de métodos proporciona una implementación rápida, debido a la red neuronal, y resultados precisos, gracias a lassoluciones geométricas. Además, también proponemos varios enfoques para la adaptación de redes neuronales a la distorsión de modelos de proyección omnidireccionales para la navegación y la adaptación del dominio soluciones previas. En términos generales, esta tesis busca encontrar soluciones novedosas e innovadoras para aprovechar las ventajas de las cámaras omnidireccionales y superar los desafíos que plantean.Neural networks have become widespread all around the world and are used for many different applications. These new methods are able to recognize music and audio, generate full texts from simple ideas and obtain detailed and relevant information from images and videos. The possibilities of neural networks and deep learning methods are uncountable, becoming the main tool for research and new applications in our daily-life. At the same time, omnidirectional and 360 images are also becoming widespread in industry and in consumer society, causing omnidirectional computer vision to gain attention. From 360 images, we capture all the information surrounding the camera in a single shot. The combination of deep learning methods and omnidirectional computer vision have attracted many researchers to this new field. From a single omnidirectional image, we obtain enough information of the environment to make a neural network understand its surroundings and interact with the environment. For applications such as navigation and autonomous driving, the use of omnidirectional cameras provide information all around the robot, person or vehicle, while conventional perspective cameras lack this context information due to their narrow field of view. Even if some applications can include several conventional cameras to increase the system's field of view, tasks where weight is more important (i.e. guidance of visually impaired people or navigation of autonomous drones), the less cameras we need to include, the better. In this thesis, we focus in the joint use of omnidirectional cameras, deep learning, geometry and photometric methods. We evaluate different approaches to handle omnidirectional images, adapting previous methods to the distortion of omnidirectional projection models and also proposing new solutions to tackle the challenges of this kind of images. For indoor scene understanding, we propose a novel neural network that jointly obtains semantic segmentation and depth maps from single equirectangular panoramas. Our network manages, with a new convolutional approach, to leverage the context information provided by the panoramic image and exploit the combined information of semantics and depth. In the same topic, we combine deep learning and geometric solvers to recover the scaled structural layout of indoor environments from single non-central panoramas. This combination provides a fast implementation, thanks to the learning approach, and accurate result, due to the geometric solvers. Additionally, we also propose several approaches of network adaptation to the distortion of omnidirectional projection models for outdoor navigation and domain adaptation of previous solutions. All in all, this thesis looks for finding novel and innovative solutions to take advantage of omnidirectional cameras while overcoming the challenges they pose.<br /

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 /

Room layout estimation on mobile devices

Room layout generation is the problem of generating a drawing or a digital model of an existing room from a set of measurements such as laser data or images. The generation of floor plans can find application in the building industry to assess the quality and the correctness of an ongoing construction w.r.t. the initial model, or to quickly sketch the renovation of an apartment. Real estate industry can rely on automatic generation of floor plans to ease the process of checking the livable surface and to propose virtual visits to prospective customers. As for the general public, the room layout can be integrated into mixed reality games to provide a better immersiveness experience, or used in other related augmented reality applications such room redecoration. The goal of this industrial thesis (CIFRE) is to investigate and take advantage of the state-of-the art mobile devices in order to automate the process of generating room layouts. Nowadays, modern mobile devices usually come a wide range of sensors, such as inertial motion unit (IMU), RGB cameras and, more recently, depth cameras. Moreover, tactile touchscreens offer a natural and simple way to interact with the user, thus favoring the development of interactive applications, in which the user can be part of the processing loop. This work aims at exploiting the richness of such devices to address the room layout generation problem. The thesis has three major contributions. We first show how the classic problem of detecting vanishing points in an image can benefit from an a-priori given by the IMU sensor. We propose a simple and effective algorithm for detecting vanishing points relying on the gravity vector estimated by the IMU. A new public dataset containing images and the relevant IMU data is introduced to help assessing vanishing point algorithms and foster further studies in the field. As a second contribution, we explored the state of-the-art of real-time localization and map optimization algorithms for RGB-D sensors. Real-time localization is a fundamental task to enable augmented reality applications, and thus it is a critical component when designing interactive applications. We propose an evaluation of existing algorithms for the common desktop set-up in order to be employed on a mobile device. For each considered method, we assess the accuracy of the localization as well as the computational performances when ported on a mobile device. Finally, we present a proof of concept of application able to generate the room layout relying on a Project Tango tablet equipped with an RGB-D sensor. In particular, we propose an algorithm that incrementally processes and fuses the 3D data provided by the sensor in order to obtain the layout of the room. We show how our algorithm can rely on the user interactions in order to correct the generated 3D model during the acquisition process

Indoor Mapping and Reconstruction with Mobile Augmented Reality Sensor Systems

Augmented Reality (AR) ermöglicht es, virtuelle, dreidimensionale Inhalte direkt innerhalb der realen Umgebung darzustellen. Anstatt jedoch beliebige virtuelle Objekte an einem willkürlichen Ort anzuzeigen, kann AR Technologie auch genutzt werden, um Geodaten in situ an jenem Ort darzustellen, auf den sich die Daten beziehen. Damit eröffnet AR die Möglichkeit, die reale Welt durch virtuelle, ortbezogene Informationen anzureichern. Im Rahmen der vorliegenen Arbeit wird diese Spielart von AR als "Fused Reality" definiert und eingehend diskutiert. Der praktische Mehrwert, den dieses Konzept der Fused Reality bietet, lässt sich gut am Beispiel seiner Anwendung im Zusammenhang mit digitalen Gebäudemodellen demonstrieren, wo sich gebäudespezifische Informationen - beispielsweise der Verlauf von Leitungen und Kabeln innerhalb der Wände - lagegerecht am realen Objekt darstellen lassen. Um das skizzierte Konzept einer Indoor Fused Reality Anwendung realisieren zu können, müssen einige grundlegende Bedingungen erfüllt sein. So kann ein bestimmtes Gebäude nur dann mit ortsbezogenen Informationen augmentiert werden, wenn von diesem Gebäude ein digitales Modell verfügbar ist. Zwar werden größere Bauprojekt heutzutage oft unter Zuhilfename von Building Information Modelling (BIM) geplant und durchgeführt, sodass ein digitales Modell direkt zusammen mit dem realen Gebäude ensteht, jedoch sind im Falle älterer Bestandsgebäude digitale Modelle meist nicht verfügbar. Ein digitales Modell eines bestehenden Gebäudes manuell zu erstellen, ist zwar möglich, jedoch mit großem Aufwand verbunden. Ist ein passendes Gebäudemodell vorhanden, muss ein AR Gerät außerdem in der Lage sein, die eigene Position und Orientierung im Gebäude relativ zu diesem Modell bestimmen zu können, um Augmentierungen lagegerecht anzeigen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit werden diverse Aspekte der angesprochenen Problematik untersucht und diskutiert. Dabei werden zunächst verschiedene Möglichkeiten diskutiert, Indoor-Gebäudegeometrie mittels Sensorsystemen zu erfassen. Anschließend wird eine Untersuchung präsentiert, inwiefern moderne AR Geräte, die in der Regel ebenfalls über eine Vielzahl an Sensoren verfügen, ebenfalls geeignet sind, als Indoor-Mapping-Systeme eingesetzt zu werden. Die resultierenden Indoor Mapping Datensätze können daraufhin genutzt werden, um automatisiert Gebäudemodelle zu rekonstruieren. Zu diesem Zweck wird ein automatisiertes, voxel-basiertes Indoor-Rekonstruktionsverfahren vorgestellt. Dieses wird außerdem auf der Grundlage vierer zu diesem Zweck erfasster Datensätze mit zugehörigen Referenzdaten quantitativ evaluiert. Desweiteren werden verschiedene Möglichkeiten diskutiert, mobile AR Geräte innerhalb eines Gebäudes und des zugehörigen Gebäudemodells zu lokalisieren. In diesem Kontext wird außerdem auch die Evaluierung einer Marker-basierten Indoor-Lokalisierungsmethode präsentiert. Abschließend wird zudem ein neuer Ansatz, Indoor-Mapping Datensätze an den Achsen des Koordinatensystems auszurichten, vorgestellt

RASPV: A robotics framework for augmented simulated prosthetic vision

One of the main challenges of visual prostheses is to augment the perceived information to improve the experience of its wearers. Given the limited access to implanted patients, in order to facilitate the experimentation of new techniques, this is often evaluated via Simulated Prosthetic Vision (SPV) with sighted people. In this work, we introduce a novel SPV framework and implementation that presents major advantages with respect to previous approaches. First, it is integrated into a robotics framework, which allows us to benefit from a wide range of methods and algorithms from the field (e.g. object recognition, obstacle avoidance, autonomous navigation, deep learning). Second, we go beyond traditional image processing with 3D point clouds processing using an RGB-D camera, allowing us to robustly detect the floor, obstacles and the structure of the scene. Third, it works either with a real camera or in a virtual environment, which gives us endless possibilities for immersive experimentation through a head-mounted display. Fourth, we incorporate a validated temporal phosphene model that replicates time effects into the generation of visual stimuli. Finally, we have proposed, developed and tested several applications within this framework, such as avoiding moving obstacles, providing a general understanding of the scene, staircase detection, helping the subject to navigate an unfamiliar space, and object and person detection. We provide experimental results in real and virtual environments. The code is publicly available at https://www.github.com/aperezyus/RASP

Map Slammer. Densifying Scattered KSLAM 3D Maps with Estimated Depth

There are a range of small-size robots that cannot afford to mount a three-dimensional sensor due to energy, size or power limitations. However, the best localisation and mapping algorithms and object recognition methods rely on a three-dimensional representation of the environment to provide enhanced capabilities. Thus, in this work, a method to create a dense three-dimensional representation of the environment by fusing the output of a keyframe-based SLAM (KSLAM) algorithm with predicted point clouds is proposed. It will be demonstrated with quantitative and qualitative results the advantages of this method, focusing in three different measures: localisation accuracy, densification capabilities and accuracy of the resultant three-dimensional map

Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet

Semantic Localization and Mapping in Robot Vision

Integration of human semantics plays an increasing role in robotics tasks such as mapping, localization and detection. Increased use of semantics serves multiple purposes, including giving computers the ability to process and present data containing human meaningful concepts, allowing computers to employ human reasoning to accomplish tasks. This dissertation presents three solutions which incorporate semantics onto visual data in order to address these problems. First, on the problem of constructing topological maps from sequence of images. The proposed solution includes a novel image similarity score which uses dynamic programming to match images using both appearance and relative positions of local features simultaneously. An MRF is constructed to model the probability of loop-closures and a locally optimal labeling is found using Loopy-BP. The recovered loop closures are then used to generate a topological map. Results are presented on four urban sequences and one indoor sequence. The second system uses video and annotated maps to solve localization. Data association is achieved through detection of object classes, annotated in prior maps, rather than through detection of visual features. To avoid the caveats of object recognition, a new representation of query images is introduced consisting of a vector of detection scores for each object class. Using soft object detections, hypotheses about pose are refined through particle filtering. Experiments include both small office spaces, and a large open urban rail station with semantically ambiguous places. This approach showcases a representation that is both robust and can exploit the plethora of existing prior maps for GPS-denied environments while avoiding the data association problems encountered when matching point clouds or visual features. Finally, a purely vision-based approach for constructing semantic maps given camera pose and simple object exemplar images. Object response heatmaps are combined with known pose to back-project detection information onto the world. These update the world model, integrating information over time as the camera moves. The approach avoids making hard decisions on object recognition, and aggregates evidence about objects in the world coordinate system. These solutions simultaneously showcase the contribution of semantics in robotics and provide state of the art solutions to these fundamental problems