Detección y modelado de escaleras con sensor RGB-D para asistencia personal

La habilidad de avanzar y moverse de manera efectiva por el entorno resulta natural para la mayoría de la gente, pero no resulta fácil de realizar bajo algunas circunstancias, como es el caso de las personas con problemas visuales o cuando nos movemos en entornos especialmente complejos o desconocidos. Lo que pretendemos conseguir a largo plazo es crear un sistema portable de asistencia aumentada para ayudar a quienes se enfrentan a esas circunstancias. Para ello nos podemos ayudar de cámaras, que se integran en el asistente. En este trabajo nos hemos centrado en el módulo de detección, dejando para otros trabajos el resto de módulos, como podría ser la interfaz entre la detección y el usuario. Un sistema de guiado de personas debe mantener al sujeto que lo utiliza apartado de peligros, pero también debería ser capaz de reconocer ciertas características del entorno para interactuar con ellas. En este trabajo resolvemos la detección de uno de los recursos más comunes que una persona puede tener que utilizar a lo largo de su vida diaria: las escaleras. Encontrar escaleras es doblemente beneficioso, puesto que no sólo permite evitar posibles caídas sino que ayuda a indicar al usuario la posibilidad de alcanzar otro piso en el edificio. Para conseguir esto hemos hecho uso de un sensor RGB-D, que irá situado en el pecho del sujeto, y que permite captar de manera simultánea y sincronizada información de color y profundidad de la escena. El algoritmo usa de manera ventajosa la captación de profundidad para encontrar el suelo y así orientar la escena de la manera que aparece ante el usuario. Posteriormente hay un proceso de segmentación y clasificación de la escena de la que obtenemos aquellos segmentos que se corresponden con "suelo", "paredes", "planos horizontales" y una clase residual, de la que todos los miembros son considerados "obstáculos". A continuación, el algoritmo de detección de escaleras determina si los planos horizontales son escalones que forman una escalera y los ordena jerárquicamente. En el caso de que se haya encontrado una escalera, el algoritmo de modelado nos proporciona toda la información de utilidad para el usuario: cómo esta posicionada con respecto a él, cuántos escalones se ven y cuáles son sus medidas aproximadas. En definitiva, lo que se presenta en este trabajo es un nuevo algoritmo de ayuda a la navegación humana en entornos de interior cuya mayor contribución es un algoritmo de detección y modelado de escaleras que determina toda la información de mayor relevancia para el sujeto. Se han realizado experimentos con grabaciones de vídeo en distintos entornos, consiguiendo buenos resultados tanto en precisión como en tiempo de respuesta. Además se ha realizado una comparación de nuestros resultados con los extraídos de otras publicaciones, demostrando que no sólo se consigue una eciencia que iguala al estado de la materia sino que también se aportan una serie de mejoras. Especialmente, nuestro algoritmo es el primero capaz de obtener las dimensiones de las escaleras incluso con obstáculos obstruyendo parcialmente la vista, como puede ser gente subiendo o bajando. Como resultado de este trabajo se ha elaborado una publicación aceptada en el Second Workshop on Assitive Computer Vision and Robotics del ECCV, cuya presentación tiene lugar el 12 de Septiembre de 2014 en Zúrich, Suiza

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

Detection and modelling of staircases using a wearable depth sensor

In this paper we deal with the perception task of a wearable navigation assistant. Specifically, we have focused on the detection of staircases because of the important role they play in indoor navigation due to the multi-floor reaching possibilities they bring and the lack of security they cause, specially for those who suffer from visual deficiencies. We use the depth sensing capacities of the modern RGB-D cameras to segment and classify the different elements that integrate the scene and then carry out the stair detection and modelling algorithm to retrieve all the information that might interest the user, i.e. the location and orientation of the staircase, the number of steps and the step dimensions. Experiments prove that the system is able to perform in real-time and works even under partial occlusions of the stairway

Stairs detection with odometry-aided traversal from a wearable RGB-D camera

Stairs are one of the most common structures present in human-made scenarios, but also one of the most dangerous for those with vision problems. In this work we propose a complete method to detect, locate and parametrise stairs with a wearable RGB-D camera. Our algorithm uses the depth data to determine if the horizontal planes in the scene are valid steps of a staircase judging their dimensions and relative positions. As a result we obtain a scaled model of the staircase with the spatial location and orientation with respect to the subject. The visual odometry is also estimated to continuously recover the current position and orientation of the user while moving. This enhances the system giving the ability to come back to previously detected features and providing location awareness of the user during the climb. Simultaneously, the detection of the staircase during the traversal is used to correct the drift of the visual odometry. A comparison of results of the stair detection with other state-of-the-art algorithms was performed using public dataset. Additional experiments have also been carried out, recording our own natural scenes with a chest-mounted RGB-D camera in indoor scenarios. The algorithm is robust enough to work in real-time and even under partial occlusions of the stair

Portable Robotic Navigation Aid for the Visually Impaired

This dissertation aims to address the limitations of existing visual-inertial (VI) SLAM methods - lack of needed robustness and accuracy - for assistive navigation in a large indoor space. Several improvements are made to existing SLAM technology, and the improved methods are used to enable two robotic assistive devices, a robot cane, and a robotic object manipulation aid, for the visually impaired for assistive wayfinding and object detection/grasping. First, depth measurements are incorporated into the optimization process for device pose estimation to improve the success rate of VI SLAM\u27s initialization and reduce scale drift. The improved method, called depth-enhanced visual-inertial odometry (DVIO), initializes itself immediately as the environment\u27s metric scale can be derived from the depth data. Second, a hybrid PnP (perspective n-point) method is introduced for a more accurate estimation of the pose change between two camera frames by using the 3D data from both frames. Third, to implement DVIO on a smartphone with variable camera intrinsic parameters (CIP), a method called CIP-VMobile is devised to simultaneously estimate the intrinsic parameters and motion states of the camera. CIP-VMobile estimates in real time the CIP, which varies with the smartphone\u27s pose due to the camera\u27s optical image stabilization mechanism, resulting in more accurate device pose estimates. Various experiments are performed to validate the VI-SLAM methods with the two robotic assistive devices. Beyond these primary objectives, SM-SLAM is proposed as a potential extension for the existing SLAM methods in dynamic environments. This forward-looking exploration is premised on the potential that incorporating dynamic object detection capabilities in the front-end could improve SLAM\u27s overall accuracy and robustness. Various experiments have been conducted to validate the efficacy of this newly proposed method, using both public and self-collected datasets. The results obtained substantiate the viability of this innovation, leaving a deeper investigation for future work

SLAM for Visually Impaired People: A Survey

In recent decades, several assistive technologies for visually impaired and blind (VIB) people have been developed to improve their ability to navigate independently and safely. At the same time, simultaneous localization and mapping (SLAM) techniques have become sufficiently robust and efficient to be adopted in the development of assistive technologies. In this paper, we first report the results of an anonymous survey conducted with VIB people to understand their experience and needs; we focus on digital assistive technologies that help them with indoor and outdoor navigation. Then, we present a literature review of assistive technologies based on SLAM. We discuss proposed approaches and indicate their pros and cons. We conclude by presenting future opportunities and challenges in this domain.Comment: 26 pages, 5 tables, 3 figure

Egocentric Computer Vision and Machine Learning for Simulated Prosthetic Vision

Las prótesis visuales actuales son capaces de proporcionar percepción visual a personas con cierta ceguera. Sin pasar por la parte dañada del camino visual, la estimulación eléctrica en la retina o en el sistema nervioso provoca percepciones puntuales conocidas como “fosfenos”. Debido a limitaciones fisiológicas y tecnológicas, la información que reciben los pacientes tiene una resolución muy baja y un campo de visión y rango dinámico reducido afectando seriamente la capacidad de la persona para reconocer y navegar en entornos desconocidos. En este contexto, la inclusión de nuevas técnicas de visión por computador es un tema clave activo y abierto. En esta tesis nos centramos especialmente en el problema de desarrollar técnicas para potenciar la información visual que recibe el paciente implantado y proponemos diferentes sistemas de visión protésica simulada para la experimentación.Primero, hemos combinado la salida de dos redes neuronales convolucionales para detectar bordes informativos estructurales y siluetas de objetos. Demostramos cómo se pueden reconocer rápidamente diferentes escenas y objetos incluso en las condiciones restringidas de la visión protésica. Nuestro método es muy adecuado para la comprensión de escenas de interiores comparado con los métodos tradicionales de procesamiento de imágenes utilizados en prótesis visuales.Segundo, presentamos un nuevo sistema de realidad virtual para entornos de visión protésica simulada más realistas usando escenas panorámicas, lo que nos permite estudiar sistemáticamente el rendimiento de la búsqueda y reconocimiento de objetos. Las escenas panorámicas permiten que los sujetos se sientan inmersos en la escena al percibir la escena completa (360 grados).En la tercera contribución demostramos cómo un sistema de navegación de realidad aumentada para visión protésica ayuda al rendimiento de la navegación al reducir el tiempo y la distancia para alcanzar los objetivos, incluso reduciendo significativamente el número de colisiones de obstáculos. Mediante el uso de un algoritmo de planificación de ruta, el sistema encamina al sujeto a través de una ruta más corta y sin obstáculos. Este trabajo está actualmente bajo revisión.En la cuarta contribución, evaluamos la agudeza visual midiendo la influencia del campo de visión con respecto a la resolución espacial en prótesis visuales a través de una pantalla montada en la cabeza. Para ello, usamos la visión protésica simulada en un entorno de realidad virtual para simular la experiencia de la vida real al usar una prótesis de retina. Este trabajo está actualmente bajo revisión.Finalmente, proponemos un modelo de Spiking Neural Network (SNN) que se basa en mecanismos biológicamente plausibles y utiliza un esquema de aprendizaje no supervisado para obtener mejores algoritmos computacionales y mejorar el rendimiento de las prótesis visuales actuales. El modelo SNN propuesto puede hacer uso de la señal de muestreo descendente de la unidad de procesamiento de información de las prótesis retinianas sin pasar por el análisis de imágenes retinianas, proporcionando información útil a los ciegos. Esté trabajo está actualmente en preparación.<br /

Audio Visual Language Maps for Robot Navigation

While interacting in the world is a multi-sensory experience, many robots continue to predominantly rely on visual perception to map and navigate in their environments. In this work, we propose Audio-Visual-Language Maps (AVLMaps), a unified 3D spatial map representation for storing cross-modal information from audio, visual, and language cues. AVLMaps integrate the open-vocabulary capabilities of multimodal foundation models pre-trained on Internet-scale data by fusing their features into a centralized 3D voxel grid. In the context of navigation, we show that AVLMaps enable robot systems to index goals in the map based on multimodal queries, e.g., textual descriptions, images, or audio snippets of landmarks. In particular, the addition of audio information enables robots to more reliably disambiguate goal locations. Extensive experiments in simulation show that AVLMaps enable zero-shot multimodal goal navigation from multimodal prompts and provide 50% better recall in ambiguous scenarios. These capabilities extend to mobile robots in the real world - navigating to landmarks referring to visual, audio, and spatial concepts. Videos and code are available at: https://avlmaps.github.io.Comment: Project page: https://avlmaps.github.io