Past, Present, and Future of Simultaneous Localization And Mapping: Towards the Robust-Perception Age

Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)consists in the concurrent construction of a model of the environment (the map), and the estimation of the state of the robot moving within it. The SLAM community has made astonishing progress over the last 30 years, enabling large-scale real-world applications, and witnessing a steady transition of this technology to industry. We survey the current state of SLAM. We start by presenting what is now the de-facto standard formulation for SLAM. We then review related work, covering a broad set of topics including robustness and scalability in long-term mapping, metric and semantic representations for mapping, theoretical performance guarantees, active SLAM and exploration, and other new frontiers. This paper simultaneously serves as a position paper and tutorial to those who are users of SLAM. By looking at the published research with a critical eye, we delineate open challenges and new research issues, that still deserve careful scientific investigation. The paper also contains the authors' take on two questions that often animate discussions during robotics conferences: Do robots need SLAM? and Is SLAM solved

Active Estimation of Distance in a Robotic Vision System that Replicates Human Eye Movement

Many visual cues, both binocular and monocular, provide 3D information. When an agent moves with respect to a scene, an important cue is the different motion of objects located at various distances. While a motion parallax is evident for large translations of the agent, in most head/eye systems a small parallax occurs also during rotations of the cameras. A similar parallax is present also in the human eye. During a relocation of gaze, the shift in the retinal projection of an object depends not only on the amplitude of the movement, but also on the distance of the object with respect to the observer. This study proposes a method for estimating distance on the basis of the parallax that emerges from rotations of a camera. A pan/tilt system specifically designed to reproduce the oculomotor parallax present in the human eye was used to replicate the oculomotor strategy by which humans scan visual scenes. We show that the oculomotor parallax provides accurate estimation of distance during sequences of eye movements. In a system that actively scans a visual scene, challenging tasks such as image segmentation and figure/ground segregation greatly benefit from this cue.National Science Foundation (BIC-0432104, CCF-0130851

TransTouch: Learning Transparent Objects Depth Sensing Through Sparse Touches

Transparent objects are common in daily life. However, depth sensing for transparent objects remains a challenging problem. While learning-based methods can leverage shape priors to improve the sensing quality, the labor-intensive data collection in the real world and the sim-to-real domain gap restrict these methods' scalability. In this paper, we propose a method to finetune a stereo network with sparse depth labels automatically collected using a probing system with tactile feedback. We present a novel utility function to evaluate the benefit of touches. By approximating and optimizing the utility function, we can optimize the probing locations given a fixed touching budget to better improve the network's performance on real objects. We further combine tactile depth supervision with a confidence-based regularization to prevent over-fitting during finetuning. To evaluate the effectiveness of our method, we construct a real-world dataset including both diffuse and transparent objects. Experimental results on this dataset show that our method can significantly improve real-world depth sensing accuracy, especially for transparent objects.Comment: Accepted to the 2023 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS

Place and Object Recognition for Real-time Visual Mapping

Este trabajo aborda dos de las principales dificultades presentes en los sistemas actuales de localización y creación de mapas de forma simultánea (del inglés Simultaneous Localization And Mapping, SLAM): el reconocimiento de lugares ya visitados para cerrar bucles en la trajectoria y crear mapas precisos, y el reconocimiento de objetos para enriquecer los mapas con estructuras de alto nivel y mejorar la interación entre robots y personas. En SLAM visual, las características que se extraen de las imágenes de una secuencia de vídeo se van acumulando con el tiempo, haciendo más laboriosos dos de los aspectos de la detección de bucles: la eliminación de los bucles incorrectos que se detectan entre lugares que tienen una apariencia muy similar, y conseguir un tiempo de ejecución bajo y factible en trayectorias largas. En este trabajo proponemos una técnica basada en vocabularios visuales y en bolsas de palabras para detectar bucles de manera robusta y eficiente, centrándonos en dos ideas principales: 1) aprovechar el origen secuencial de las imágenes de vídeo, y 2) hacer que todo el proceso pueda funcionar a frecuencia de vídeo. Para beneficiarnos del origen secuencial de las imágenes, presentamos una métrica de similaridad normalizada para medir el parecido entre imágenes e incrementar la distintividad de las detecciones correctas. A su vez, agrupamos los emparejamientos de imágenes candidatas a ser bucle para evitar que éstas compitan cuando realmente fueron tomadas desde el mismo lugar. Finalmente, incorporamos una restricción temporal para comprobar la coherencia entre detecciones consecutivas. La eficiencia se logra utilizando índices inversos y directos y características binarias. Un índice inverso acelera la comparación entre imágenes de lugares, y un índice directo, el cálculo de correspondencias de puntos entre éstas. Por primera vez, en este trabajo se han utilizado características binarias para detectar bucles, dando lugar a una solución viable incluso hasta para decenas de miles de imágenes. Los bucles se verifican comprobando la coherencia de la geometría de las escenas emparejadas. Para ello utilizamos varios métodos robustos que funcionan tanto con una como con múltiples cámaras. Presentamos resultados competitivos y sin falsos positivos en distintas secuencias, con imágenes adquiridas tanto a alta como a baja frecuencia, con cámaras frontales y laterales, y utilizando el mismo vocabulario y la misma configuración. Con descriptores binarios, el sistema completo requiere 22 milisegundos por imagen en una secuencia de 26.300 imágenes, resultando un orden de magnitud más rápido que otras técnicas actuales. Se puede utilizar un algoritmo similar al de reconocimiento de lugares para resolver el reconocimiento de objetos en SLAM visual. Detectar objetos en este contexto es particularmente complicado debido a que las distintas ubicaciones, posiciones y tamaños en los que se puede ver un objeto en una imagen son potencialmente infinitos, por lo que suelen ser difíciles de distinguir. Además, esta complejidad se multiplica cuando la comparación ha de hacerse contra varios objetos 3D. Nuestro esfuerzo en este trabajo está orientado a: 1) construir el primer sistema de SLAM visual que puede colocar objectos 3D reales en el mapa, y 2) abordar los problemas de escalabilidad resultantes al tratar con múltiples objetos y vistas de éstos. En este trabajo, presentamos el primer sistema de SLAM monocular que reconoce objetos 3D, los inserta en el mapa y refina su posición en el espacio 3D a medida que el mapa se va construyendo, incluso cuando los objetos dejan de estar en el campo de visión de la cámara. Esto se logra en tiempo real con modelos de objetos compuestos por información tridimensional y múltiples imágenes representando varios puntos de vista del objeto. Después nos centramos en la escalabilidad de la etapa del reconocimiento de los objetos 3D. Presentamos una técnica rápida para segmentar imágenes en regiones de interés para detectar objetos pequeños o lejanos. Tras ello, proponemos sustituir el modelo de objetos de vistas independientes por un modelado con una única bolsa de palabras de características binarias asociadas a puntos 3D. Creamos también una base de datos que incorpora índices inversos y directos para aprovechar sus ventajas a la hora de recuperar rápidamente tanto objetos candidatos a ser detectados como correspondencias de puntos, tal y como hacían en el caso de la detección de bucles. Los resultados experimentales muestran que nuestro sistema funciona en tiempo real en un entorno de escritorio con cámara en mano y en una habitación con una cámara montada sobre un robot autónomo. Las mejoras en el proceso de reconocimiento obtienen resultados satisfactorios, sin detecciones erróneas y con un tiempo de ejecución medio de 28 milisegundos por imagen con una base de datos de 20 objetos 3D

Mapping and Semantic Perception for Service Robotics

Para realizar una tarea, los robots deben ser capaces de ubicarse en el entorno. Si un robot no sabe dónde se encuentra, es imposible que sea capaz de desplazarse para alcanzar el objetivo de su tarea. La localización y construcción de mapas simultánea, llamado SLAM, es un problema estudiado en la literatura que ofrece una solución a este problema. El objetivo de esta tesis es desarrollar técnicas que permitan a un robot comprender el entorno mediante la incorporación de información semántica. Esta información también proporcionará una mejora en la localización y navegación de las plataformas robóticas. Además, también demostramos cómo un robot con capacidades limitadas puede construir de forma fiable y eficiente los mapas semánticos necesarios para realizar sus tareas cotidianas.El sistema de construcción de mapas presentado tiene las siguientes características: En el lado de la construcción de mapas proponemos la externalización de cálculos costosos a un servidor en nube. Además, proponemos métodos para registrar información semántica relevante con respecto a los mapas geométricos estimados. En cuanto a la reutilización de los mapas construidos, proponemos un método que combina la construcción de mapas con la navegación de un robot para explorar mejor un entorno y disponer de un mapa semántico con los objetos relevantes para una misión determinada.En primer lugar, desarrollamos un algoritmo semántico de SLAM visual que se fusiona los puntos estimados en el mapa, carentes de sentido, con objetos conocidos. Utilizamos un sistema monocular de SLAM basado en un EKF (Filtro Extendido de Kalman) centrado principalmente en la construcción de mapas geométricos compuestos únicamente por puntos o bordes; pero sin ningún significado o contenido semántico asociado. El mapa no anotado se construye utilizando sólo la información extraída de una secuencia de imágenes monoculares. La parte semántica o anotada del mapa -los objetos- se estiman utilizando la información de la secuencia de imágenes y los modelos de objetos precalculados. Como segundo paso, mejoramos el método de SLAM presentado anteriormente mediante el diseño y la implementación de un método distribuido. La optimización de mapas y el almacenamiento se realiza como un servicio en la nube, mientras que el cliente con poca necesidad de computo, se ejecuta en un equipo local ubicado en el robot y realiza el cálculo de la trayectoria de la cámara. Los ordenadores con los que está equipado el robot se liberan de la mayor parte de los cálculos y el único requisito adicional es una conexión a Internet.El siguiente paso es explotar la información semántica que somos capaces de generar para ver cómo mejorar la navegación de un robot. La contribución en esta tesis se centra en la detección 3D y en el diseño e implementación de un sistema de construcción de mapas semántico.A continuación, diseñamos e implementamos un sistema de SLAM visual capaz de funcionar con robustez en entornos poblados debido a que los robots de servicio trabajan en espacios compartidos con personas. El sistema presentado es capaz de enmascarar las zonas de imagen ocupadas por las personas, lo que aumenta la robustez, la reubicación, la precisión y la reutilización del mapa geométrico. Además, calcula la trayectoria completa de cada persona detectada con respecto al mapa global de la escena, independientemente de la ubicación de la cámara cuando la persona fue detectada.Por último, centramos nuestra investigación en aplicaciones de rescate y seguridad. Desplegamos un equipo de robots en entornos que plantean múltiples retos que implican la planificación de tareas, la planificación del movimiento, la localización y construcción de mapas, la navegación segura, la coordinación y las comunicaciones entre todos los robots. La arquitectura propuesta integra todas las funcionalidades mencionadas, asi como varios aspectos de investigación novedosos para lograr una exploración real, como son: localización basada en características semánticas-topológicas, planificación de despliegue en términos de las características semánticas aprendidas y reconocidas, y construcción de mapas.In order to perform a task, robots need to be able to locate themselves in the environment. If a robot does not know where it is, it is impossible for it to move, reach its goal and complete the task. Simultaneous Localization and Mapping, known as SLAM, is a problem extensively studied in the literature for enabling robots to locate themselves in unknown environments. The goal of this thesis is to develop and describe techniques to allow a service robot to understand the environment by incorporating semantic information. This information will also provide an improvement in the localization and navigation of robotic platforms. In addition, we also demonstrate how a simple robot can reliably and efficiently build the semantic maps needed to perform its quotidian tasks. The mapping system as built has the following features. On the map building side we propose the externalization of expensive computations to a cloud server. Additionally, we propose methods to register relevant semantic information with respect to the estimated geometrical maps. Regarding the reuse of the maps built, we propose a method that combines map building with robot navigation to better explore a room in order to obtain a semantic map with the relevant objects for a given mission. Firstly, we develop a semantic Visual SLAM algorithm that merges traditional with known objects in the estimated map. We use a monocular EKF (Extended Kalman Filter) SLAM system that has mainly been focused on producing geometric maps composed simply of points or edges but without any associated meaning or semantic content. The non-annotated map is built using only the information extracted from an image sequence. The semantic or annotated parts of the map –the objects– are estimated using the information in the image sequence and the precomputed object models. As a second step we improve the EKF SLAM presented previously by designing and implementing a visual SLAM system based on a distributed framework. The expensive map optimization and storage is allocated as a service in the Cloud, while a light camera tracking client runs on a local computer. The robot’s onboard computers are freed from most of the computation, the only extra requirement being an internet connection. The next step is to exploit the semantic information that we are able to generate to see how to improve the navigation of a robot. The contribution of this thesis is focused on 3D sensing which we use to design and implement a semantic mapping system. We then design and implement a visual SLAM system able to perform robustly in populated environments due to service robots work in environments where people are present. The system is able to mask the image regions occupied by people out of the rigid SLAM pipeline, which boosts the robustness, the relocation, the accuracy and the reusability of the geometrical map. In addition, it estimates the full trajectory of each detected person with respect to the scene global map, irrespective of the location of the moving camera at the point when the people were imaged. Finally, we focus our research on rescue and security applications. The deployment of a multirobot team in confined environments poses multiple challenges that involve task planning, motion planning, localization and mapping, safe navigation, coordination and communications among all the robots. The architecture integrates, jointly with all the above-mentioned functionalities, several novel features to achieve real exploration: localization based on semantic-topological features, deployment planning in terms of the semantic features learned and recognized, and map building.<br /

Building an Understanding of Human Activities in First Person Video using Fuzzy Inference

Activities of Daily Living (ADL’s) are the activities that people perform every day in their home as part of their typical routine. The in-home, automated monitoring of ADL’s has broad utility for intelligent systems that enable independent living for the elderly and mentally or physically disabled individuals. With rising interest in electronic health (e-Health) and mobile health (m-Health) technology, opportunities abound for the integration of activity monitoring systems into these newer forms of healthcare. In this dissertation we propose a novel system for describing ’s based on video collected from a wearable camera. Most in-home activities are naturally defined by interaction with objects. We leverage these object-centric activity definitions to develop a set of rules for a Fuzzy Inference System (FIS) that uses video features and the identification of objects to identify and classify activities. Further, we demonstrate that the use of FIS enhances the reliability of the system and provides enhanced explainability and interpretability of results over popular machine-learning classifiers due to the linguistic nature of fuzzy systems

Active Part-Decomposition, Shape and Motion Estimation of Articulated Objects: A Physics-Based Approach

We present a novel, robust, integrated approach to segmentation shape and motion estimation of articulated objects. Initially, we assume the object consists of a single part, and we fit a deformable model to the given data using our physics-based framework. As the object attains new postures, we decide based on certain criteria if and when to replace the initial model with two new models. These criteria are based on the model\u27s state and the given data. We then fit the models to the data using a novel algorithm for assigning forces from the data to the two models, which allows partial overlap between them and determination of joint location. This approach is applied iteratively until all the object\u27s moving parts are identified. Furthermore, we define new global deformations and we demonstrate our technique in a series of experiments, where Kalman filtering is employed to account for noise and occlusion