Robust Tracking for Real-Time Dense RGB-D Mapping with Kintinuous

This paper describes extensions to the Kintinuous algorithm for spatially extended KinectFusion, incorporating the following additions: (i) the integration of multiple 6DOF camera odometry estimation methods for robust tracking; (ii) a novel GPU-based implementation of an existing dense RGB-D visual odometry algorithm; (iii) advanced fused real-time surface coloring. These extensions are validated with extensive experimental results, both quantitative and qualitative, demonstrating the ability to build dense fully colored models of spatially extended environments for robotics and virtual reality applications while remaining robust against scenes with challenging sets of geometric and visual features

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

Soft Biometrics: Globally Coherent Solutions for Hair Segmentation and Style Recognition based on Hierarchical MRFs

Markov Random Fields (MRFs) are a populartool in many computer vision problems and faithfully modela broad range of local dependencies. However, rooted in theHammersley-Clifford theorem, they face serious difficulties inenforcing the global coherence of the solutions without using toohigh order cliques that reduce the computational effectiveness ofthe inference phase. Having this problem in mind, we describea multi-layered (hierarchical) architecture for MRFs that isbased exclusively in pairwise connections and typically producesglobally coherent solutions, with 1) one layer working at the local(pixel) level, modelling the interactions between adjacent imagepatches; and 2) a complementary layer working at theobject(hypothesis) level pushing toward globally consistent solutions.During optimization, both layers interact into an equilibriumstate, that not only segments the data, but also classifies it.The proposed MRF architecture is particularly suitable forproblems that deal with biological data (e.g., biometrics), wherethe reasonability of the solutions can be objectively measured.As test case, we considered the problem of hair / facial hairsegmentation and labelling, which are soft biometric labels usefulfor human recognitionin-the-wild. We observed performancelevels close to the state-of-the-art at a much lower computationalcost, both in the segmentation and classification (labelling) tasksinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio

Person re-Identification over distributed spaces and time

PhDReplicating the human visual system and cognitive abilities that the brain uses to process the information it receives is an area of substantial scientific interest. With the prevalence of video surveillance cameras a portion of this scientific drive has been into providing useful automated counterparts to human operators. A prominent task in visual surveillance is that of matching people between disjoint camera views, or re-identification. This allows operators to locate people of interest, to track people across cameras and can be used as a precursory step to multi-camera activity analysis. However, due to the contrasting conditions between camera views and their effects on the appearance of people re-identification is a non-trivial task. This thesis proposes solutions for reducing the visual ambiguity in observations of people between camera views This thesis first looks at a method for mitigating the effects on the appearance of people under differing lighting conditions between camera views. This thesis builds on work modelling inter-camera illumination based on known pairs of images. A Cumulative Brightness Transfer Function (CBTF) is proposed to estimate the mapping of colour brightness values based on limited training samples. Unlike previous methods that use a mean-based representation for a set of training samples, the cumulative nature of the CBTF retains colour information from underrepresented samples in the training set. Additionally, the bi-directionality of the mapping function is explored to try and maximise re-identification accuracy by ensuring samples are accurately mapped between cameras. Secondly, an extension is proposed to the CBTF framework that addresses the issue of changing lighting conditions within a single camera. As the CBTF requires manually labelled training samples it is limited to static lighting conditions and is less effective if the lighting changes. This Adaptive CBTF (A-CBTF) differs from previous approaches that either do not consider lighting change over time, or rely on camera transition time information to update. By utilising contextual information drawn from the background in each camera view, an estimation of the lighting change within a single camera can be made. This background lighting model allows the mapping of colour information back to the original training conditions and thus remove the need for 3 retraining. Thirdly, a novel reformulation of re-identification as a ranking problem is proposed. Previous methods use a score based on a direct distance measure of set features to form a correct/incorrect match result. Rather than offering an operator a single outcome, the ranking paradigm is to give the operator a ranked list of possible matches and allow them to make the final decision. By utilising a Support Vector Machine (SVM) ranking method, a weighting on the appearance features can be learned that capitalises on the fact that not all image features are equally important to re-identification. Additionally, an Ensemble-RankSVM is proposed to address scalability issues by separating the training samples into smaller subsets and boosting the trained models. Finally, the thesis looks at a practical application of the ranking paradigm in a real world application. The system encompasses both the re-identification stage and the precursory extraction and tracking stages to form an aid for CCTV operators. Segmentation and detection are combined to extract relevant information from the video, while several combinations of matching techniques are combined with temporal priors to form a more comprehensive overall matching criteria. The effectiveness of the proposed approaches is tested on datasets obtained from a variety of challenging environments including offices, apartment buildings, airports and outdoor public spaces

LiDAR and Camera Detection Fusion in a Real Time Industrial Multi-Sensor Collision Avoidance System

Collision avoidance is a critical task in many applications, such as ADAS (advanced driver-assistance systems), industrial automation and robotics. In an industrial automation setting, certain areas should be off limits to an automated vehicle for protection of people and high-valued assets. These areas can be quarantined by mapping (e.g., GPS) or via beacons that delineate a no-entry area. We propose a delineation method where the industrial vehicle utilizes a LiDAR {(Light Detection and Ranging)} and a single color camera to detect passive beacons and model-predictive control to stop the vehicle from entering a restricted space. The beacons are standard orange traffic cones with a highly reflective vertical pole attached. The LiDAR can readily detect these beacons, but suffers from false positives due to other reflective surfaces such as worker safety vests. Herein, we put forth a method for reducing false positive detection from the LiDAR by projecting the beacons in the camera imagery via a deep learning method and validating the detection using a neural network-learned projection from the camera to the LiDAR space. Experimental data collected at Mississippi State University's Center for Advanced Vehicular Systems (CAVS) shows the effectiveness of the proposed system in keeping the true detection while mitigating false positives.Comment: 34 page

Development of a probabilistic perception system for camera-lidar sensor fusion

La estimación de profundidad usando diferentes sensores es uno de los desafíos clave para dotar a las máquinas autónomas de sólidas capacidades de percepción robótica. Ha habido un avance sobresaliente en el desarrollo de técnicas de estimación de profundidad unimodales basadas en cámaras monoculares, debido a su alta resolución o sensores LiDAR, debido a los datos geométricos precisos que proporcionan. Sin embargo, cada uno de ellos presenta inconvenientes inherentes, como la alta sensibilidad a los cambios en las condiciones de iluminación en el caso delas cámaras y la resolución limitada de los sensores LiDAR. La fusión de sensores se puede utilizar para combinar los méritos y compensar las desventajas de estos dos tipos de sensores. Sin embargo, los métodos de fusión actuales funcionan a un alto nivel. Procesan los flujos de datos de los sensores de forma independiente y combinan las estimaciones de alto nivel obtenidas para cada sensor. En este proyecto, abordamos el problema en un nivel bajo, fusionando los flujos de sensores sin procesar, obteniendo así estimaciones de profundidad que son densas y precisas, y pueden usarse como una fuente de datos multimodal unificada para problemas de estimación de nivel superior. Este trabajo propone un modelo de campo aleatorio condicional (CRF) con múltiples potenciales de geometría y apariencia que representa a la perfección el problema de estimar mapas de profundidad densos a partir de datos de cámara y LiDAR. El modelo se puede optimizar de manera eficiente utilizando el algoritmo Conjúgate Gradient Squared (CGS). El método propuesto se evalúa y compara utilizando el conjunto de datos proporcionado por KITTI Datset. Adicionalmente, se evalúa cualitativamente el modelo, usando datos adquiridos por el autor de esté trabajoMulti-modal depth estimation is one of the key challenges for endowing autonomous machines with robust robotic perception capabilities. There has been an outstanding advance in the development of uni-modal depth estimation techniques based on either monocular cameras, because of their rich resolution or LiDAR sensors due to the precise geometric data they provide. However, each of them suffers from some inherent drawbacks like high sensitivity to changes in illumination conditions in the case of cameras and limited resolution for the LiDARs. Sensor fusion can be used to combine the merits and compensate the downsides of these two kinds of sensors. Nevertheless, current fusion methods work at a high level. They processes sensor data streams independently and combine the high level estimates obtained for each sensor. In this thesis, I tackle the problem at a low level, fusing the raw sensor streams, thus obtaining depth estimates which are both dense and precise, and can be used as a unified multi-modal data source for higher level estimation problems. This work proposes a Conditional Random Field (CRF) model with multiple geometry and appearance potentials that seamlessly represents the problem of estimating dense depth maps from camera and LiDAR data. The model can be optimized efficiently using the Conjugate Gradient Squared (CGS) algorithm. The proposed method was evaluated and compared with the state-of-the-art using the commonly used KITTI benchmark dataset. In addition, the model is qualitatively evaluated using data acquired by the author of this work.MaestríaMagíster en Ingeniería de Desarrollo de Producto