Visual SLAM and scale estimation from omnidirectional wearable vision

La resolución del problema de Localización y Mapeado Simultáneos (SLAM) con sistemas de visión permite reconstruir un mapa del entorno a partir de medidas extraídas de imágenes y, al mismo tiempo, estimar la trayectoria u odometría visual de la cámara. En los último años el SLAM visual ha sido uno de los problemas más tratados en el campo de la visión por computador y ha sido abordado tanto con sistemas estéreo como monoculares. Los sistemas estéreo tienen la característica de que conocida la distancia entre las cámaras se pueden triangular los puntos observados y por lo tanto, es posible obtener una estimación tridimensional completa de la posición de los mismos. Por el contrario, los sistemas monoculares, al no poderse medir la profundidad a partir de una sola imagen, permiten solamente una reconstrucción tridimensional con una ambigüedad en la escala. Además, como es frecuente en la resolución del problema de SLAM, el uso de filtros probabilísticos que procesan las imágenes de forma secuencial, da lugar a otro problema más alla de una ambigüedad de escala. Se trata de la existencia de una deriva en la escala que hace que esta no sea constate durante en toda la reconstrucción, y que da lugar a una deformación gradual en la reconstrucción final a medida que el mapa crece. Dado el interés en el uso de dichos sensores por su bajo coste, su universalidad y su facilidad de calibración existen varios trabajos que proponen resolver dicho problema; bien utilizando otros sensores de bajo coste como IMUs, o sensores de odometría disponibles en los vehículos con ruedas; bien sin necesidad de sensores adicionales a partir de algún tipo de medida conocida a priori como la distancia de la cámara al suelo o al eje de rotación del vehículo. De entre los trabajos mencionados, la mayoría se centran en cámaras acopladas a vehículos con ruedas. Las técnicas descritas en los mismos son dificilmente aplicables a una cámara llevada por una persona, debido en primer lugar a la imposibilidad de obtener medidas de odometría, y en segundo lugar, por el modelo más complejo de movimiento. En este TFM se recoge y se amplia el trabajo presentado en el artículo ``Full Scaled 3D Visual Odometry From a Single Wearable Omnidirectional Camera'' enviado y aceptado para su publicación en el próximo ``IEEE International Conference on Intelligent Robots and Sytems (IROS)''. En él se presenta un algoritmo para estimar la escala real de la odometría visual de una persona a partir de la estimación SLAM obtenida con una cámara omnidireccional catadióptrica portable y sin necesidad de usar sensores adicionales. La información a priori para la estimación en la escala viene dada por una ley empírica que relaciona directamente la velocidad al caminar con la frecuencia de paso o, dicho de otra forma equivalente, define la longitud de zancada como una función de la frecuencia de paso. Dicha ley está justificada en una tendencia de la persona a elegir una frecuencia de paso que minimiza el coste metabólico para una velocidad dada. La trayectoria obtenida por SLAM se divide en secciones, calculándose un factor de escala en cada sección. Para estimar dicho factor de escala, en primer lugar se estima la frecuencia de paso mediante análisis espectral de la señal correspondiente a la componente $z$ de los estados de la cámara de la sección actual. En segundo lugar se calcula la velocidad de paso mediante la relación empírica descrita anteriormente. Esta medida de velocidad real, así como el promedio de la velocidad absoluta de los estados contenidos en la sección, se incluyen dentro de un filtro de partículas para el cálculo final del factor de escala. Dicho factor de escala se aplica a la correspondiente sección mediante una fórmula recursiva que asegura la continuidad en posición y velocidad. Sobre este algoritmo básico se han introducido mejoras para disminuir el retraso entre la actualización de secciones de la trayectoria, así como para ser capaces de descartar medidas erróneas de la frecuencia de paso y detectar zonas o situaciones, como la presencia de escaleras, donde el modelo empírico utilizado para estimar la velocidad de paso no sería aplicable. Además, dado que inicialmente se implementó el algoritmo en MATLAB, aplicándose offline a la estimación de trayectoria completa desde la aplicación SLAM, se ha realizado también su implementación en C++ como un módulo dentro de esta aplicación para trabajar en tiempo real conjuntamente con el algoritmo de SLAM principal. Los experimentos se han llevado a cabo con secuencias tomadas tanto en exteriores como en interiores dentro del Campus Río Ebro de la Universida dde Zaragoza. En ellos se compara la estimación de la trayectoria a escala real obtenida mediante nuestro método con el Ground Truth obtenido de las imágenes por satélite de Google Maps. Los resultados de los experimentos muestran que se llega a alcanzar un error medio de hasta menos de 2 metros a lo largo de recorridos de 232 metros. Además se aprecia como es capaz de corregir una deriva de escala considerable en la estimación inicial de la trayectoria sin escalar. El trabajo realizado en el presente TFM utiliza el realizado durante mi Proyecto de Fin de Carrera, "Localización por Visión Omnidireccional para Asistencia Personal", con una beca de Iniciación a la Investigación del I3A y defendido en septiembre de 2011. En dicho proyecto se adaptó una completa aplicación C++ de SLAM en tiempo real con cámaras convencionales para ser usada con cámaras omnidireccionales de tipo catadióptrico. Para ello se realizaron modificaciones sobre dos aspectos básicos: el modelo de proyección y las transformaciones aplicadas a los descriptores de los puntos característicos. Fruto de ese trabajo se realizó una publicación, "Adapting a Real-Time Monocular Visual SLAM from Conventional to Omnidirectional Cameras" en el ``11th OMNIVIS'' celebrado dentro del ICCV 2011

An Observability-Driven System Concept for Monocular-Inertial Egomotion and Landmark Position Determination

In this dissertation a novel alternative system concept for monocular-inertial egomotion and landmark position determination is introduced. It is mainly motivated by an in-depth analysis of the observability and consistency of the classic simultaneous localization and mapping (SLAM) approach, which is based on a world-centric model of an agent and its environment. Within the novel system concept - a body-centric agent and environment model, - a pseudo-world centric motion propagation, - and closed-form initialization procedures are introduced. This approach allows for combining the advantageous observability properties of body-centric modeling and the advantageous motion propagation properties of world-centric modeling. A consistency focused and simulation based evaluation demonstrates the capabilities as well as the limitations of the proposed concept.In dieser Dissertation wird ein neuartiges, alternatives Systemkonzept für die monokular-inertiale Eigenbewegungs- und Landmarkenpositionserfassung vorgestellt. Dieses Systemkonzept ist maßgeblich motiviert durch eine detaillierte Analyse der Beobachtbarkeits- und Konsistenzeigenschaften des klassischen Simultaneous Localization and Mapping (SLAM), welches auf einer weltzentrischen Modellierung eines Agenten und seiner Umgebung basiert. Innerhalb des neuen Systemkonzeptes werden - eine körperzentrische Modellierung des Agenten und seiner Umgebung, - eine pseudo-weltzentrische Bewegungspropagation, - und geschlossene Initialisierungsprozeduren eingeführt. Dieser Ansatz erlaubt es, die günstigen Beobachtbarkeitseigenschaften körperzentrischer Modellierung und die günstigen Propagationseigenschaften weltzentrischer Modellierung zu kombinieren. Sowohl die Fähigkeiten als auch die Limitierungen dieses Ansatzes werden abschließend mit Hilfe von Simulationen und einem starken Fokus auf Schätzkonsistenz demonstriert