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

VINS-mono Optimized: A Monocular Visual-inertial State Estimator with Improved Initialization

State estimation is one of the key areas in robotics. It touches a variety of applications in practice such as, aerial vehicle navigation, autonomous driving, augmented reality, and virtual reality. A monocular visual-inertial system (VINS) is one of the popular trends in solving state estimation. By fusing a monocular camera and IMU properly, the system is capable of providing the position and orientation of a vehicle and recovering the scale. One of the challenges for a monocular VINS is estimator initialization due to the inadequacy of direct distance measurement. Based on the work of Hong Kong University of Technology on monocular VINS, a checkerboard pattern is introduced to improve the original initialization process. The checkerboard parameters are used along with the calculated 3D coordinates to replace the original initialization process, leading to higher accuracy. The results demonstrated lowered cross track error and final drift, compared with the original approach

Holistic methods for visual navigation of mobile robots in outdoor environments

Differt D. Holistic methods for visual navigation of mobile robots in outdoor environments. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2017

Advances in Stereo Vision

Stereopsis is a vision process whose geometrical foundation has been known for a long time, ever since the experiments by Wheatstone, in the 19th century. Nevertheless, its inner workings in biological organisms, as well as its emulation by computer systems, have proven elusive, and stereo vision remains a very active and challenging area of research nowadays. In this volume we have attempted to present a limited but relevant sample of the work being carried out in stereo vision, covering significant aspects both from the applied and from the theoretical standpoints

Camera Marker Networks for Pose Estimation and Scene Understanding in Construction Automation and Robotics.

The construction industry faces challenges that include high workplace injuries and fatalities, stagnant productivity, and skill shortage. Automation and Robotics in Construction (ARC) has been proposed in the literature as a potential solution that makes machinery easier to collaborate with, facilitates better decision-making, or enables autonomous behavior. However, there are two primary technical challenges in ARC: 1) unstructured and featureless environments; and 2) differences between the as-designed and the as-built. It is therefore impossible to directly replicate conventional automation methods adopted in industries such as manufacturing on construction sites. In particular, two fundamental problems, pose estimation and scene understanding, must be addressed to realize the full potential of ARC. This dissertation proposes a pose estimation and scene understanding framework that addresses the identified research gaps by exploiting cameras, markers, and planar structures to mitigate the identified technical challenges. A fast plane extraction algorithm is developed for efficient modeling and understanding of built environments. A marker registration algorithm is designed for robust, accurate, cost-efficient, and rapidly reconfigurable pose estimation in unstructured and featureless environments. Camera marker networks are then established for unified and systematic design, estimation, and uncertainty analysis in larger scale applications. The proposed algorithms' efficiency has been validated through comprehensive experiments. Specifically, the speed, accuracy and robustness of the fast plane extraction and the marker registration have been demonstrated to be superior to existing state-of-the-art algorithms. These algorithms have also been implemented in two groups of ARC applications to demonstrate the proposed framework's effectiveness, wherein the applications themselves have significant social and economic value. The first group is related to in-situ robotic machinery, including an autonomous manipulator for assembling digital architecture designs on construction sites to help improve productivity and quality; and an intelligent guidance and monitoring system for articulated machinery such as excavators to help improve safety. The second group emphasizes human-machine interaction to make ARC more effective, including a mobile Building Information Modeling and way-finding platform with discrete location recognition to increase indoor facility management efficiency; and a 3D scanning and modeling solution for rapid and cost-efficient dimension checking and concise as-built modeling.PHDCivil EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/113481/1/cforrest_1.pd

Modeling the environment with egocentric vision systems

Cada vez más sistemas autónomos, ya sean robots o sistemas de asistencia, están presentes en nuestro día a día. Este tipo de sistemas interactúan y se relacionan con su entorno y para ello necesitan un modelo de dicho entorno. En función de las tareas que deben realizar, la información o el detalle necesario del modelo varía. Desde detallados modelos 3D para sistemas de navegación autónomos, a modelos semánticos que incluyen información importante para el usuario como el tipo de área o qué objetos están presentes. La creación de estos modelos se realiza a través de las lecturas de los distintos sensores disponibles en el sistema. Actualmente, gracias a su pequeño tamaño, bajo precio y la gran información que son capaces de capturar, las cámaras son sensores incluidos en todos los sistemas autónomos. El objetivo de esta tesis es el desarrollar y estudiar nuevos métodos para la creación de modelos del entorno a distintos niveles semánticos y con distintos niveles de precisión. Dos puntos importantes caracterizan el trabajo desarrollado en esta tesis: - El uso de cámaras con punto de vista egocéntrico o en primera persona ya sea en un robot o en un sistema portado por el usuario (wearable). En este tipo de sistemas, las cámaras son solidarias al sistema móvil sobre el que van montadas. En los últimos años han aparecido muchos sistemas de visión wearables, utilizados para multitud de aplicaciones, desde ocio hasta asistencia de personas. - El uso de sistemas de visión omnidireccional, que se distinguen por su gran campo de visión, incluyendo mucha más información en cada imagen que las cámara convencionales. Sin embargo plantean nuevas dificultades debido a distorsiones y modelos de proyección más complejos. Esta tesis estudia distintos tipos de modelos del entorno: - Modelos métricos: el objetivo de estos modelos es crear representaciones detalladas del entorno en las que localizar con precisión el sistema autónomo. Ésta tesis se centra en la adaptación de estos modelos al uso de visión omnidireccional, lo que permite capturar más información en cada imagen y mejorar los resultados en la localización. - Modelos topológicos: estos modelos estructuran el entorno en nodos conectados por arcos. Esta representación tiene menos precisión que la métrica, sin embargo, presenta un nivel de abstracción mayor y puede modelar el entorno con más riqueza. %, por ejemplo incluyendo el tipo de área de cada nodo, la localización de objetos importantes o el tipo de conexión entre los distintos nodos. Esta tesis se centra en la creación de modelos topológicos con información adicional sobre el tipo de área de cada nodo y conexión (pasillo, habitación, puertas, escaleras...). - Modelos semánticos: este trabajo también contribuye en la creación de nuevos modelos semánticos, más enfocados a la creación de modelos para aplicaciones en las que el sistema interactúa o asiste a una persona. Este tipo de modelos representan el entorno a través de conceptos cercanos a los usados por las personas. En particular, esta tesis desarrolla técnicas para obtener y propagar información semántica del entorno en secuencias de imágen

Multi-environment Georeferencing of RGB-D Panoramic Images from Portable Mobile Mapping – a Perspective for Infrastructure Management

Hochaufgelöste, genau georeferenzierte RGB-D-Bilder sind die Grundlage für 3D-Bildräume bzw. 3D Street-View-Webdienste, welche bereits kommerziell für das Infrastrukturmanagement eingesetzt werden. MMS ermöglichen eine schnelle und effiziente Datenerfassung von Infrastrukturen. Die meisten im Aussenraum eingesetzten MMS beruhen auf direkter Georeferenzierung. Diese ermöglicht in offenen Bereichen absolute Genauigkeiten im Zentimeterbereich. Bei GNSS-Abschattung fällt die Genauigkeit der direkten Georeferenzierung jedoch schnell in den Dezimeter- oder sogar in den Meterbereich. In Innenräumen eingesetzte MMS basieren hingegen meist auf SLAM. Die meisten SLAM-Algorithmen wurden jedoch für niedrige Latenzzeiten und für Echtzeitleistung optimiert und nehmen daher Abstriche bei der Genauigkeit, der Kartenqualität und der maximalen Ausdehnung in Kauf. Das Ziel dieser Arbeit ist, hochaufgelöste RGB-D-Bilder in verschiedenen Umgebungen zu erfassen und diese genau und zuverlässig zu georeferenzieren. Für die Datenerfassung wurde ein leistungsstarkes, bildfokussiertes und rucksackgetragenes MMS entwickelt. Dieses besteht aus einer Mehrkopf-Panoramakamera, zwei Multi-Beam LiDAR-Scannern und einer GNSS- und IMU-kombinierten Navigationseinheit der taktischen Leistungsklasse. Alle Sensoren sind präzise synchronisiert und ermöglichen Zugriff auf die Rohdaten. Das Gesamtsystem wurde in Testfeldern mit bündelblockbasierten sowie merkmalsbasierten Methoden kalibriert, was eine Voraussetzung für die Integration kinematischer Sensordaten darstellt. Für eine genaue und zuverlässige Georeferenzierung in verschiedenen Umgebungen wurde ein mehrstufiger Georeferenzierungsansatz entwickelt, welcher verschiedene Sensordaten und Georeferenzierungsmethoden vereint. Direkte und LiDAR SLAM-basierte Georeferenzierung liefern Initialposen für die nachträgliche bildbasierte Georeferenzierung mittels erweiterter SfM-Pipeline. Die bildbasierte Georeferenzierung führt zu einer präzisen aber spärlichen Trajektorie, welche sich für die Georeferenzierung von Bildern eignet. Um eine dichte Trajektorie zu erhalten, die sich auch für die Georeferenzierung von LiDAR-Daten eignet, wurde die direkte Georeferenzierung mit Posen der bildbasierten Georeferenzierung gestützt. Umfassende Leistungsuntersuchungen in drei weiträumigen anspruchsvollen Testgebieten zeigen die Möglichkeiten und Grenzen unseres Georeferenzierungsansatzes. Die drei Testgebiete im Stadtzentrum, im Wald und im Gebäude repräsentieren reale Bedingungen mit eingeschränktem GNSS-Empfang, schlechter Beleuchtung, sich bewegenden Objekten und sich wiederholenden geometrischen Mustern. Die bildbasierte Georeferenzierung erzielte die besten Genauigkeiten, wobei die mittlere Präzision im Bereich von 5 mm bis 7 mm lag. Die absolute Genauigkeit betrug 85 mm bis 131 mm, was einer Verbesserung um Faktor 2 bis 7 gegenüber der direkten und LiDAR SLAM-basierten Georeferenzierung entspricht. Die direkte Georeferenzierung mit CUPT-Stützung von Bildposen der bildbasierten Georeferenzierung, führte zu einer leicht verschlechterten mittleren Präzision im Bereich von 13 mm bis 16 mm, wobei sich die mittlere absolute Genauigkeit nicht signifikant von der bildbasierten Georeferenzierung unterschied. Die in herausfordernden Umgebungen erzielten Genauigkeiten bestätigen frühere Untersuchungen unter optimalen Bedingungen und liegen in derselben Grössenordnung wie die Resultate anderer Forschungsgruppen. Sie können für die Erstellung von Street-View-Services in herausfordernden Umgebungen für das Infrastrukturmanagement verwendet werden. Genau und zuverlässig georeferenzierte RGB-D-Bilder haben ein grosses Potenzial für zukünftige visuelle Lokalisierungs- und AR-Anwendungen

Efficient Visual SLAM for Autonomous Aerial Vehicles

The general interest in autonomous or semi-autonomous micro aerial vehicles (MAVs) is strongly increasing. There are already several commercial applications for autonomous micro aerial vehicles and many more being investigated by both research institutes and multiple financially strong companies. Most commercially available applications, however, are rather limited in their autonomy: They rely either on a human operator or reliable reception of global positioning system (GPS) signals for navigation. Truly autonomous micro aerial vehicles that can also fly in GPS-denied environments such as indoors, in forests, or in urban scenarios, where the GPS signal may be blocked by tall buildings, clearly require more on-board sensing and computation potential. In this dissertation, we explore autonomous micro aerial vehicles that rely on a so-called RGBD camera as their main sensor for simultaneous localization and mapping (SLAM). Several aspects of efficient visual SLAM with RGBD cameras aimed at micro aerial vehicles are studied in detail within this dissertation: We first propose a novel principle of integrating depth measurements within visual SLAM systems by combining both 2D image position and depth measurements. We modify a widely-used visual odometry system accordingly, such that it can serve as a robust and accurate odometry system for RGBD cameras. Based on this principle we go on and implement a full RGBD SLAM system that can close loops and perform global pose graph optimization and runs in real-time on the computationally constrained onboard computer of our MAV. We investigate the feasibility of explicitly detecting loops using depth images as opposed to intensity images with a state of the art hierarchical bag of words (BoW) approach using depth image features. Since an MAV flying indoors can often see a clearly distinguishable ground plane, we develop a novel efficient and accurate ground plane detection method and show how to use this to suppress drift in height and attitude. Finally, we create a full SLAM system combining the earlier ideas that enables our MAV to fly autonomously in previously unknown environments while creating a map of its surroundings

Vision-based Navigation and Mapping Using Non-central Catadioptric Omnidirectional Camera

Omnidirectional catadioptric cameras find their use in navigation and mapping, owing to their wide field of view. Having a wider field of view, or rather a potential 360 degree field of view, allows the user to see and move more freely in the navigation space. A catadioptric camera system is a low cost system which consists of a mirror and a camera. A calibration method was developed in order to obtain the relative position and orientation between the two components so that they can be considered as one monolithic system. The position of the system was determined, for an environment using the conditions obtained from the reflective properties of the mirror. Object control points were set up and experiments were performed at different sites to test the mathematical models and the achieved location and mapping accuracy of the system. The obtained positions were then used to map the environment

VINS-mono Optimized: A Monocular Visual-inertial State Estimator with Improved Initialization

State estimation is one of the key areas in robotics. It touches a variety of applications in practice such as, aerial vehicle navigation, autonomous driving, augmented reality, and virtual reality. A monocular visual-inertial system (VINS) is one of the popular trends in solving state estimation. By fusing a monocular camera and IMU properly, the system is capable of providing the position and orientation of a vehicle and recovering the scale. One of the challenges for a monocular VINS is estimator initialization due to the inadequacy of direct distance measurement. Based on the work of Hong Kong University of Technology on monocular VINS, a checkerboard pattern is introduced to improve the original initialization process. The checkerboard parameters are used along with the calculated 3D coordinates to replace the original initialization process, leading to higher accuracy. The results demonstrated lowered cross track error and final drift, compared with the original approach