Structureless Camera Motion Estimation of Unordered Omnidirectional Images

This work aims at providing a novel camera motion estimation pipeline from large collections of unordered omnidirectional images. In oder to keep the pipeline as general and flexible as possible, cameras are modelled as unit spheres, allowing to incorporate any central camera type. For each camera an unprojection lookup is generated from intrinsics, which is called P2S-map (Pixel-to-Sphere-map), mapping pixels to their corresponding positions on the unit sphere. Consequently the camera geometry becomes independent of the underlying projection model. The pipeline also generates P2S-maps from world map projections with less distortion effects as they are known from cartography. Using P2S-maps from camera calibration and world map projection allows to convert omnidirectional camera images to an appropriate world map projection in oder to apply standard feature extraction and matching algorithms for data association. The proposed estimation pipeline combines the flexibility of SfM (Structure from Motion) - which handles unordered image collections - with the efficiency of PGO (Pose Graph Optimization), which is used as back-end in graph-based Visual SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) approaches to optimize camera poses from large image sequences. SfM uses BA (Bundle Adjustment) to jointly optimize camera poses (motion) and 3d feature locations (structure), which becomes computationally expensive for large-scale scenarios. On the contrary PGO solves for camera poses (motion) from measured transformations between cameras, maintaining optimization managable. The proposed estimation algorithm combines both worlds. It obtains up-to-scale transformations between image pairs using two-view constraints, which are jointly scaled using trifocal constraints. A pose graph is generated from scaled two-view transformations and solved by PGO to obtain camera motion efficiently even for large image collections. Obtained results can be used as input data to provide initial pose estimates for further 3d reconstruction purposes e.g. to build a sparse structure from feature correspondences in an SfM or SLAM framework with further refinement via BA. The pipeline also incorporates fixed extrinsic constraints from multi-camera setups as well as depth information provided by RGBD sensors. The entire camera motion estimation pipeline does not need to generate a sparse 3d structure of the captured environment and thus is called SCME (Structureless Camera Motion Estimation).:1 Introduction 1.1 Motivation 1.1.1 Increasing Interest of Image-Based 3D Reconstruction 1.1.2 Underground Environments as Challenging Scenario 1.1.3 Improved Mobile Camera Systems for Full Omnidirectional Imaging 1.2 Issues 1.2.1 Directional versus Omnidirectional Image Acquisition 1.2.2 Structure from Motion versus Visual Simultaneous Localization and Mapping 1.3 Contribution 1.4 Structure of this Work 2 Related Work 2.1 Visual Simultaneous Localization and Mapping 2.1.1 Visual Odometry 2.1.2 Pose Graph Optimization 2.2 Structure from Motion 2.2.1 Bundle Adjustment 2.2.2 Structureless Bundle Adjustment 2.3 Corresponding Issues 2.4 Proposed Reconstruction Pipeline 3 Cameras and Pixel-to-Sphere Mappings with P2S-Maps 3.1 Types 3.2 Models 3.2.1 Unified Camera Model 3.2.2 Polynomal Camera Model 3.2.3 Spherical Camera Model 3.3 P2S-Maps - Mapping onto Unit Sphere via Lookup Table 3.3.1 Lookup Table as Color Image 3.3.2 Lookup Interpolation 3.3.3 Depth Data Conversion 4 Calibration 4.1 Overview of Proposed Calibration Pipeline 4.2 Target Detection 4.3 Intrinsic Calibration 4.3.1 Selected Examples 4.4 Extrinsic Calibration 4.4.1 3D-2D Pose Estimation 4.4.2 2D-2D Pose Estimation 4.4.3 Pose Optimization 4.4.4 Uncertainty Estimation 4.4.5 PoseGraph Representation 4.4.6 Bundle Adjustment 4.4.7 Selected Examples 5 Full Omnidirectional Image Projections 5.1 Panoramic Image Stitching 5.2 World Map Projections 5.3 World Map Projection Generator for P2S-Maps 5.4 Conversion between Projections based on P2S-Maps 5.4.1 Proposed Workflow 5.4.2 Data Storage Format 5.4.3 Real World Example 6 Relations between Two Camera Spheres 6.1 Forward and Backward Projection 6.2 Triangulation 6.2.1 Linear Least Squares Method 6.2.2 Alternative Midpoint Method 6.3 Epipolar Geometry 6.4 Transformation Recovery from Essential Matrix 6.4.1 Cheirality 6.4.2 Standard Procedure 6.4.3 Simplified Procedure 6.4.4 Improved Procedure 6.5 Two-View Estimation 6.5.1 Evaluation Strategy 6.5.2 Error Metric 6.5.3 Evaluation of Estimation Algorithms 6.5.4 Concluding Remarks 6.6 Two-View Optimization 6.6.1 Epipolar-Based Error Distances 6.6.2 Projection-Based Error Distances 6.6.3 Comparison between Error Distances 6.7 Two-View Translation Scaling 6.7.1 Linear Least Squares Estimation 6.7.2 Non-Linear Least Squares Optimization 6.7.3 Comparison between Initial and Optimized Scaling Factor 6.8 Homography to Identify Degeneracies 6.8.1 Homography for Spherical Cameras 6.8.2 Homography Estimation 6.8.3 Homography Optimization 6.8.4 Homography and Pure Rotation 6.8.5 Homography in Epipolar Geometry 7 Relations between Three Camera Spheres 7.1 Three View Geometry 7.2 Crossing Epipolar Planes Geometry 7.3 Trifocal Geometry 7.4 Relation between Trifocal, Three-View and Crossing Epipolar Planes 7.5 Translation Ratio between Up-To-Scale Two-View Transformations 7.5.1 Structureless Determination Approaches 7.5.2 Structure-Based Determination Approaches 7.5.3 Comparison between Proposed Approaches 8 Pose Graphs 8.1 Optimization Principle 8.2 Solvers 8.2.1 Additional Graph Solvers 8.2.2 False Loop Closure Detection 8.3 Pose Graph Generation 8.3.1 Generation of Synthetic Pose Graph Data 8.3.2 Optimization of Synthetic Pose Graph Data 9 Structureless Camera Motion Estimation 9.1 SCME Pipeline 9.2 Determination of Two-View Translation Scale Factors 9.3 Integration of Depth Data 9.4 Integration of Extrinsic Camera Constraints 10 Camera Motion Estimation Results 10.1 Directional Camera Images 10.2 Omnidirectional Camera Images 11 Conclusion 11.1 Summary 11.2 Outlook and Future Work Appendices A.1 Additional Extrinsic Calibration Results A.2 Linear Least Squares Scaling A.3 Proof Rank Deficiency A.4 Alternative Derivation Midpoint Method A.5 Simplification of Depth Calculation A.6 Relation between Epipolar and Circumferential Constraint A.7 Covariance Estimation A.8 Uncertainty Estimation from Epipolar Geometry A.9 Two-View Scaling Factor Estimation: Uncertainty Estimation A.10 Two-View Scaling Factor Optimization: Uncertainty Estimation A.11 Depth from Adjoining Two-View Geometries A.12 Alternative Three-View Derivation A.12.1 Second Derivation Approach A.12.2 Third Derivation Approach A.13 Relation between Trifocal Geometry and Alternative Midpoint Method A.14 Additional Pose Graph Generation Examples A.15 Pose Graph Solver Settings A.16 Additional Pose Graph Optimization Examples Bibliograph

Hybrid Focal Stereo Networks for Pattern Analysis in Homogeneous Scenes

In this paper we address the problem of multiple camera calibration in the presence of a homogeneous scene, and without the possibility of employing calibration object based methods. The proposed solution exploits salient features present in a larger field of view, but instead of employing active vision we replace the cameras with stereo rigs featuring a long focal analysis camera, as well as a short focal registration camera. Thus, we are able to propose an accurate solution which does not require intrinsic variation models as in the case of zooming cameras. Moreover, the availability of the two views simultaneously in each rig allows for pose re-estimation between rigs as often as necessary. The algorithm has been successfully validated in an indoor setting, as well as on a difficult scene featuring a highly dense pilgrim crowd in Makkah.Comment: 13 pages, 6 figures, submitted to Machine Vision and Application

ProSLAM: Graph SLAM from a Programmer's Perspective

In this paper we present ProSLAM, a lightweight stereo visual SLAM system designed with simplicity in mind. Our work stems from the experience gathered by the authors while teaching SLAM to students and aims at providing a highly modular system that can be easily implemented and understood. Rather than focusing on the well known mathematical aspects of Stereo Visual SLAM, in this work we highlight the data structures and the algorithmic aspects that one needs to tackle during the design of such a system. We implemented ProSLAM using the C++ programming language in combination with a minimal set of well known used external libraries. In addition to an open source implementation, we provide several code snippets that address the core aspects of our approach directly in this paper. The results of a thorough validation performed on standard benchmark datasets show that our approach achieves accuracy comparable to state of the art methods, while requiring substantially less computational resources.Comment: 8 pages, 8 figure

Visual Odometry and Sparse Scene Reconstruction for UAVs with a Multi-Fisheye Camera System

Autonomously operating UAVs demand a fast localization for navigation, to actively explore unknown areas and to create maps. For pose estimation, many UAV systems make use of a combination of GPS receivers and inertial sensor units (IMU). However, GPS signal coverage may go down occasionally, especially in the close vicinity of objects, and precise IMUs are too heavy to be carried by lightweight UAVs. This and the high cost of high quality IMU motivate the use of inexpensive vision based sensors for localization using visual odometry or visual SLAM (simultaneous localization and mapping) techniques. The first contribution of this thesis is a more general approach to bundle adjustment with an extended version of the projective coplanarity equation which enables us to make use of omnidirectional multi-camera systems which may consist of fisheye cameras that can capture a large field of view with one shot. We use ray directions as observations instead of image points which is why our approach does not rely on a specific projection model assuming a central projection. In addition, our approach allows the integration and estimation of points at infinity, which classical bundle adjustments are not capable of. We show that the integration of far or infinitely far points stabilizes the estimation of the rotation angles of the camera poses. In its second contribution, we employ this approach to bundle adjustment in a highly integrated system for incremental pose estimation and mapping on light-weight UAVs. Based on the image sequences of a multi-camera system our system makes use of tracked feature points to incrementally build a sparse map and incrementally refines this map using the iSAM2 algorithm. Our system is able to optionally integrate GPS information on the level of carrier phase observations even in underconstrained situations, e.g. if only two satellites are visible, for georeferenced pose estimation. This way, we are able to use all available information in underconstrained GPS situations to keep the mapped 3D model accurate and georeferenced. In its third contribution, we present an approach for re-using existing methods for dense stereo matching with fisheye cameras, which has the advantage that highly optimized existing methods can be applied as a black-box without modifications even with cameras that have field of view of more than 180 deg. We provide a detailed accuracy analysis of the obtained dense stereo results. The accuracy analysis shows the growing uncertainty of observed image points of fisheye cameras due to increasing blur towards the image border. Core of the contribution is a rigorous variance component estimation which allows to estimate the variance of the observed disparities at an image point as a function of the distance of that point to the principal point. We show that this improved stochastic model provides a more realistic prediction of the uncertainty of the triangulated 3D points.Autonom operierende UAVs benötigen eine schnelle Lokalisierung zur Navigation, zur Exploration unbekannter Umgebungen und zur Kartierung. Zur Posenbestimmung verwenden viele UAV-Systeme eine Kombination aus GPS-Empfängern und Inertial-Messeinheiten (IMU). Die Verfügbarkeit von GPS-Signalen ist jedoch nicht überall gewährleistet, insbesondere in der Nähe abschattender Objekte, und präzise IMUs sind für leichtgewichtige UAVs zu schwer. Auch die hohen Kosten qualitativ hochwertiger IMUs motivieren den Einsatz von kostengünstigen bildgebenden Sensoren zur Lokalisierung mittels visueller Odometrie oder SLAM-Techniken zur simultanen Lokalisierung und Kartierung. Im ersten wissenschaftlichen Beitrag dieser Arbeit entwickeln wir einen allgemeineren Ansatz für die Bündelausgleichung mit einem erweiterten Modell für die projektive Kollinearitätsgleichung, sodass auch omnidirektionale Multikamerasysteme verwendet werden können, welche beispielsweise bestehend aus Fisheyekameras mit einer Aufnahme einen großen Sichtbereich abdecken. Durch die Integration von Strahlrichtungen als Beobachtungen ist unser Ansatz nicht von einem kameraspezifischen Abbildungsmodell abhängig solange dieses der Zentralprojektion folgt. Zudem erlaubt unser Ansatz die Integration und Schätzung von unendlich fernen Punkten, was bei klassischen Bündelausgleichungen nicht möglich ist. Wir zeigen, dass durch die Integration weit entfernter und unendlich ferner Punkte die Schätzung der Rotationswinkel der Kameraposen stabilisiert werden kann. Im zweiten Beitrag verwenden wir diesen entwickelten Ansatz zur Bündelausgleichung für ein System zur inkrementellen Posenschätzung und dünnbesetzten Kartierung auf einem leichtgewichtigen UAV. Basierend auf den Bildsequenzen eines Mulitkamerasystems baut unser System mittels verfolgter markanter Bildpunkte inkrementell eine dünnbesetzte Karte auf und verfeinert diese inkrementell mittels des iSAM2-Algorithmus. Unser System ist in der Lage optional auch GPS Informationen auf dem Level von GPS-Trägerphasen zu integrieren, wodurch sogar in unterbestimmten Situation - beispielsweise bei nur zwei verfügbaren Satelliten - diese Informationen zur georeferenzierten Posenschätzung verwendet werden können. Im dritten Beitrag stellen wir einen Ansatz zur Verwendung existierender Methoden für dichtes Stereomatching mit Fisheyekameras vor, sodass hoch optimierte existierende Methoden als Black Box ohne Modifzierungen sogar mit Kameras mit einem Gesichtsfeld von mehr als 180 Grad verwendet werden können. Wir stellen eine detaillierte Genauigkeitsanalyse basierend auf dem Ergebnis des dichten Stereomatchings dar. Die Genauigkeitsanalyse zeigt, wie stark die Genauigkeit beobachteter Bildpunkte bei Fisheyekameras zum Bildrand aufgrund von zunehmender Unschärfe abnimmt. Das Kernstück dieses Beitrags ist eine Varianzkomponentenschätzung, welche die Schätzung der Varianz der beobachteten Disparitäten an einem Bildpunkt als Funktion von der Distanz dieses Punktes zum Hauptpunkt des Bildes ermöglicht. Wir zeigen, dass dieses verbesserte stochastische Modell eine realistischere Prädiktion der Genauigkeiten der 3D Punkte ermöglicht

Robust Rotation Synchronization via Low-rank and Sparse Matrix Decomposition

This paper deals with the rotation synchronization problem, which arises in global registration of 3D point-sets and in structure from motion. The problem is formulated in an unprecedented way as a "low-rank and sparse" matrix decomposition that handles both outliers and missing data. A minimization strategy, dubbed R-GoDec, is also proposed and evaluated experimentally against state-of-the-art algorithms on simulated and real data. The results show that R-GoDec is the fastest among the robust algorithms.Comment: The material contained in this paper is part of a manuscript submitted to CVI

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multikamerasysteme werden heute bereits in einer Vielzahl von Fahrzeugen und mobilen Robotern eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von einfachen Assistenzfunktionen wie der Erzeugung einer virtuellen Rundumsicht bis hin zur Umfelderfassung, wie sie für teil- und vollautomatisches Fahren benötigt wird. Damit aus den Kamerabildern metrische Größen wie Distanzen und Winkel abgeleitet werden können und ein konsistentes Umfeldmodell aufgebaut werden kann, muss das Abbildungsverhalten der einzelnen Kameras sowie deren relative Lage zueinander bekannt sein. Insbesondere die Bestimmung der relativen Lage der Kameras zueinander, die durch die extrinsische Kalibrierung beschrieben wird, ist aufwendig, da sie nur im Gesamtverbund erfolgen kann. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass es über die Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg zu nicht vernachlässigbaren Veränderungen durch äußere Einflüsse kommt. Um den hohen Zeit- und Kostenaufwand einer regelmäßigen Wartung zu vermeiden, ist ein Selbstkalibrierungsverfahren erforderlich, das die extrinsischen Kalibrierparameter fortlaufend nachschätzt. Für die Selbstkalibrierung wird typischerweise das Vorhandensein überlappender Sichtbereiche ausgenutzt, um die extrinsische Kalibrierung auf der Basis von Bildkorrespondenzen zu schätzen. Falls die Sichtbereiche mehrerer Kameras jedoch nicht überlappen, lassen sich die Kalibrierparameter auch aus den relativen Bewegungen ableiten, die die einzelnen Kameras beobachten. Die Bewegung typischer Straßenfahrzeuge lässt dabei jedoch nicht die Bestimmung aller Kalibrierparameter zu. Um die vollständige Schätzung der Parameter zu ermöglichen, lassen sich weitere Bedingungsgleichungen, die sich z.B. aus der Beobachtung der Bodenebene ergeben, einbinden. In dieser Arbeit wird dazu in einer theoretischen Analyse gezeigt, welche Parameter sich aus der Kombination verschiedener Bedingungsgleichungen eindeutig bestimmen lassen. Um das Umfeld eines Fahrzeugs vollständig erfassen zu können, werden typischerweise Objektive, wie zum Beispiel Fischaugenobjektive, eingesetzt, die einen sehr großen Bildwinkel ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung von Bildkorrespondenzen vorgeschlagen, das die geometrischen Verzerrungen, die sich durch die Verwendung von Fischaugenobjektiven und sich stark ändernden Ansichten ergeben, berücksichtigt. Darauf aufbauend stellen wir ein robustes Verfahren zur Nachführung der Parameter der Bodenebene vor. Basierend auf der theoretischen Analyse der Beobachtbarkeit und den vorgestellten Verfahren stellen wir ein robustes, rekursives Kalibrierverfahren vor, das auf einem erweiterten Kalman-Filter aufbaut. Das vorgestellte Kalibrierverfahren zeichnet sich insbesondere durch die geringe Anzahl von internen Parametern, sowie durch die hohe Flexibilität hinsichtlich der einbezogenen Bedingungsgleichungen aus und basiert einzig auf den Bilddaten des Multikamerasystems. In einer umfangreichen experimentellen Auswertung mit realen Daten vergleichen wir die Ergebnisse der auf unterschiedlichen Bedingungsgleichungen und Bewegungsmodellen basierenden Verfahren mit den aus einer Referenzkalibrierung bestimmten Parametern. Die besten Ergebnisse wurden dabei durch die Kombination aller vorgestellten Bedingungsgleichungen erzielt. Anhand mehrerer Beispiele zeigen wir, dass die erreichte Genauigkeit ausreichend für eine Vielzahl von Anwendungen ist