Online Visual Robot Tracking and Identification using Deep LSTM Networks

Collaborative robots working on a common task are necessary for many applications. One of the challenges for achieving collaboration in a team of robots is mutual tracking and identification. We present a novel pipeline for online visionbased detection, tracking and identification of robots with a known and identical appearance. Our method runs in realtime on the limited hardware of the observer robot. Unlike previous works addressing robot tracking and identification, we use a data-driven approach based on recurrent neural networks to learn relations between sequential inputs and outputs. We formulate the data association problem as multiple classification problems. A deep LSTM network was trained on a simulated dataset and fine-tuned on small set of real data. Experiments on two challenging datasets, one synthetic and one real, which include long-term occlusions, show promising results.Comment: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Vancouver, Canada, 2017. IROS RoboCup Best Paper Awar

Efficient 3D Segmentation, Registration and Mapping for Mobile Robots

Sometimes simple is better! For certain situations and tasks, simple but robust methods can achieve the same or better results in the same or less time than related sophisticated approaches. In the context of robots operating in real-world environments, key challenges are perceiving objects of interest and obstacles as well as building maps of the environment and localizing therein. The goal of this thesis is to carefully analyze such problem formulations, to deduce valid assumptions and simplifications, and to develop simple solutions that are both robust and fast. All approaches make use of sensors capturing 3D information, such as consumer RGBD cameras. Comparative evaluations show the performance of the developed approaches. For identifying objects and regions of interest in manipulation tasks, a real-time object segmentation pipeline is proposed. It exploits several common assumptions of manipulation tasks such as objects being on horizontal support surfaces (and well separated). It achieves real-time performance by using particularly efficient approximations in the individual processing steps, subsampling the input data where possible, and processing only relevant subsets of the data. The resulting pipeline segments 3D input data with up to 30Hz. In order to obtain complete segmentations of the 3D input data, a second pipeline is proposed that approximates the sampled surface, smooths the underlying data, and segments the smoothed surface into coherent regions belonging to the same geometric primitive. It uses different primitive models and can reliably segment input data into planes, cylinders and spheres. A thorough comparative evaluation shows state-of-the-art performance while computing such segmentations in near real-time. The second part of the thesis addresses the registration of 3D input data, i.e., consistently aligning input captured from different view poses. Several methods are presented for different types of input data. For the particular application of mapping with micro aerial vehicles where the 3D input data is particularly sparse, a pipeline is proposed that uses the same approximate surface reconstruction to exploit the measurement topology and a surface-to-surface registration algorithm that robustly aligns the data. Optimization of the resulting graph of determined view poses then yields globally consistent 3D maps. For sequences of RGBD data this pipeline is extended to include additional subsampling steps and an initial alignment of the data in local windows in the pose graph. In both cases, comparative evaluations show a robust and fast alignment of the input data

Efficient Dense Registration, Segmentation, and Modeling Methods for RGB-D Environment Perception

One perspective for artificial intelligence research is to build machines that perform tasks autonomously in our complex everyday environments. This setting poses challenges to the development of perception skills: A robot should be able to perceive its location and objects in its surrounding, while the objects and the robot itself could also be moving. Objects may not only be composed of rigid parts, but could be non-rigidly deformable or appear in a variety of similar shapes. Furthermore, it could be relevant to the task to observe object semantics. For a robot acting fluently and immediately, these perception challenges demand efficient methods. This theses presents novel approaches to robot perception with RGB-D sensors. It develops efficient registration, segmentation, and modeling methods for scene and object perception. We propose multi-resolution surfel maps as a concise representation for RGB-D measurements. We develop probabilistic registration methods that handle rigid scenes, scenes with multiple rigid parts that move differently, and scenes that undergo non-rigid deformations. We use these methods to learn and perceive 3D models of scenes and objects in both static and dynamic environments. For learning models of static scenes, we propose a real-time capable simultaneous localization and mapping approach. It aligns key views in RGB-D video using our rigid registration method and optimizes the pose graph of the key views. The acquired models are then perceived in live images through detection and tracking within a Bayesian filtering framework. An assumption frequently made for environment mapping is that the observed scene remains static during the mapping process. Through rigid multi-body registration, we take advantage of releasing this assumption: Our registration method segments views into parts that move independently between the views and simultaneously estimates their motion. Within simultaneous motion segmentation, localization, and mapping, we separate scenes into objects by their motion. Our approach acquires 3D models of objects and concurrently infers hierarchical part relations between them using probabilistic reasoning. It can be applied for interactive learning of objects and their part decomposition. Endowing robots with manipulation skills for a large variety of objects is a tedious endeavor if the skill is programmed for every instance of an object class. Furthermore, slight deformations of an instance could not be handled by an inflexible program. Deformable registration is useful to perceive such shape variations, e.g., between specific instances of a tool. We develop an efficient deformable registration method and apply it for the transfer of robot manipulation skills between varying object instances. On the object-class level, we segment images using random decision forest classifiers in real-time. The probabilistic labelings of individual images are fused in 3D semantic maps within a Bayesian framework. We combine our object-class segmentation method with simultaneous localization and mapping to achieve online semantic mapping in real-time. The methods developed in this thesis are evaluated in experiments on publicly available benchmark datasets and novel own datasets. We publicly demonstrate several of our perception approaches within integrated robot systems in the mobile manipulation context.Effiziente Dichte Registrierungs-, Segmentierungs- und Modellierungsmethoden für die RGB-D Umgebungswahrnehmung In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Herausforderungen der visuellen Wahrnehmung für intelligente Roboter in Alltagsumgebungen. Solche Roboter sollen sich selbst in ihrer Umgebung zurechtfinden, und Wissen über den Verbleib von Objekten erwerben können. Die Schwierigkeit dieser Aufgaben erhöht sich in dynamischen Umgebungen, in denen ein Roboter die Bewegung einzelner Teile differenzieren und auch wahrnehmen muss, wie sich diese Teile bewegen. Bewegt sich ein Roboter selbständig in dieser Umgebung, muss er auch seine eigene Bewegung von der Veränderung der Umgebung unterscheiden. Szenen können sich aber nicht nur durch die Bewegung starrer Teile verändern. Auch die Teile selbst können ihre Form in nicht-rigider Weise ändern. Eine weitere Herausforderung stellt die semantische Interpretation von Szenengeometrie und -aussehen dar. Damit intelligente Roboter unmittelbar und flüssig handeln können, sind effiziente Algorithmen für diese Wahrnehmungsprobleme erforderlich. Im ersten Teil dieser Arbeit entwickeln wir effiziente Methoden zur Repräsentation und Registrierung von RGB-D Messungen. Zunächst stellen wir Multi-Resolutions-Oberflächenelement-Karten (engl. multi-resolution surfel maps, MRSMaps) als eine kompakte Repräsentation von RGB-D Messungen vor, die unseren effizienten Registrierungsmethoden zugrunde liegt. Bilder können effizient in dieser Repräsentation aggregiert werde, wobei auch mehrere Bilder aus verschiedenen Blickpunkten integriert werden können, um Modelle von Szenen und Objekte aus vielfältigen Ansichten darzustellen. Für die effiziente, robuste und genaue Registrierung von MRSMaps wird eine Methode vorgestellt, die Rigidheit der betrachteten Szene voraussetzt. Die Registrierung schätzt die Kamerabewegung zwischen den Bildern und gewinnt ihre Effizienz durch die Ausnutzung der kompakten multi-resolutionalen Darstellung der Karten. Die Registrierungsmethode erzielt hohe Bildverarbeitungsraten auf einer CPU. Wir demonstrieren hohe Effizienz, Genauigkeit und Robustheit unserer Methode im Vergleich zum bisherigen Stand der Forschung auf Vergleichsdatensätzen. In einem weiteren Registrierungsansatz lösen wir uns von der Annahme, dass die betrachtete Szene zwischen Bildern statisch ist. Wir erlauben nun, dass sich rigide Teile der Szene bewegen dürfen, und erweitern unser rigides Registrierungsverfahren auf diesen Fall. Unser Ansatz segmentiert das Bild in Bereiche einzelner Teile, die sich unterschiedlich zwischen Bildern bewegen. Wir demonstrieren hohe Segmentierungsgenauigkeit und Genauigkeit in der Bewegungsschätzung unter Echtzeitbedingungen für die Verarbeitung. Schließlich entwickeln wir ein Verfahren für die Wahrnehmung von nicht-rigiden Deformationen zwischen zwei MRSMaps. Auch hier nutzen wir die multi-resolutionale Struktur in den Karten für ein effizientes Registrieren von grob zu fein. Wir schlagen Methoden vor, um aus den geschätzten Deformationen die lokale Bewegung zwischen den Bildern zu berechnen. Wir evaluieren Genauigkeit und Effizienz des Registrierungsverfahrens. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Verwendung unserer Kartenrepräsentation und Registrierungsmethoden für die Wahrnehmung von Szenen und Objekten. Wir verwenden MRSMaps und unsere rigide Registrierungsmethode, um dichte 3D Modelle von Szenen und Objekten zu lernen. Die räumlichen Beziehungen zwischen Schlüsselansichten, die wir durch Registrierung schätzen, werden in einem Simultanen Lokalisierungs- und Kartierungsverfahren (engl. simultaneous localization and mapping, SLAM) gegeneinander abgewogen, um die Blickposen der Schlüsselansichten zu schätzen. Für das Verfolgen der Kamerapose bezüglich der Modelle in Echtzeit, kombinieren wir die Genauigkeit unserer Registrierung mit der Robustheit von Partikelfiltern. Zu Beginn der Posenverfolgung, oder wenn das Objekt aufgrund von Verdeckungen oder extremen Bewegungen nicht weiter verfolgt werden konnte, initialisieren wir das Filter durch Objektdetektion. Anschließend wenden wir unsere erweiterten Registrierungsverfahren für die Wahrnehmung in nicht-rigiden Szenen und für die Übertragung von Objekthandhabungsfähigkeiten von Robotern an. Wir erweitern unseren rigiden Kartierungsansatz auf dynamische Szenen, in denen sich rigide Teile bewegen. Die Bewegungssegmente in Schlüsselansichten werden zueinander in Bezug gesetzt, um Äquivalenz- und Teilebeziehungen von Objekten probabilistisch zu inferieren, denen die Segmente entsprechen. Auch hier liefert unsere Registrierungsmethode die Bewegung der Kamera bezüglich der Objekte, die wir in einem SLAM Verfahren optimieren. Aus diesen Blickposen wiederum können wir die Bewegungssegmente in dichten Objektmodellen vereinen. Objekte einer Klasse teilen oft eine gemeinsame Topologie von funktionalen Elementen, die durch Formkorrespondenzen ermittelt werden kann. Wir verwenden unsere deformierbare Registrierung, um solche Korrespondenzen zu finden und die Handhabung eines Objektes durch einen Roboter auf neue Objektinstanzen derselben Klasse zu übertragen. Schließlich entwickeln wir einen echtzeitfähigen Ansatz, der Kategorien von Objekten in RGB-D Bildern erkennt und segmentiert. Die Segmentierung basiert auf Ensemblen randomisierter Entscheidungsbäume, die Geometrie- und Texturmerkmale zur Klassifikation verwenden. Wir fusionieren Segmentierungen von Einzelbildern einer Szene aus mehreren Ansichten in einer semantischen Objektklassenkarte mit Hilfe unseres SLAM-Verfahrens. Die vorgestellten Methoden werden auf öffentlich verfügbaren Vergleichsdatensätzen und eigenen Datensätzen evaluiert. Einige unserer Ansätze wurden auch in integrierten Robotersystemen für mobile Objekthantierungsaufgaben öffentlich demonstriert. Sie waren ein wichtiger Bestandteil für das Gewinnen der RoboCup-Roboterwettbewerbe in der RoboCup@Home Liga in den Jahren 2011, 2012 und 2013

Exploiting Opponent Modeling For Learning In Multi-agent Adversarial Games

An issue with learning effective policies in multi-agent adversarial games is that the size of the search space can be prohibitively large when the actions of both teammates and opponents are considered simultaneously. Opponent modeling, predicting an opponent’s actions in advance of execution, is one approach for selecting actions in adversarial settings, but it is often performed in an ad hoc way. In this dissertation, we introduce several methods for using opponent modeling, in the form of predictions about the players’ physical movements, to learn team policies. To explore the problem of decision-making in multi-agent adversarial scenarios, we use our approach for both offline play generation and real-time team response in the Rush 2008 American football simulator. Simultaneously predicting the movement trajectories, future reward, and play strategies of multiple players in real-time is a daunting task but we illustrate how it is possible to divide and conquer this problem with an assortment of data-driven models. By leveraging spatio-temporal traces of player movements, we learn discriminative models of defensive play for opponent modeling. With the reward information from previous play matchups, we use a modified version of UCT (Upper Conference Bounds applied to Trees) to create new offensive plays and to learn play repairs to counter predicted opponent actions. iii In team games, players must coordinate effectively to accomplish tasks while foiling their opponents either in a preplanned or emergent manner. An effective team policy must generate the necessary coordination, yet considering all possibilities for creating coordinating subgroups is computationally infeasible. Automatically identifying and preserving the coordination between key subgroups of teammates can make search more productive by pruning policies that disrupt these relationships. We demonstrate that combining opponent modeling with automatic subgroup identification can be used to create team policies with a higher average yardage than either the baseline game or domain-specific heuristics