Model-based Pose Estimation for Texture-less Objects with Differential Evolution Algorithm

This paper proposes a novel object-tracking method to estimate three dimensions position of texture-less objects using one camera system and 3D model. The system uses efficient chamfer matching method to calculated distances between 2D edge templates of pose hypotheses with edges from the Canny edge query image. Differential Evolution algorithm uses those distances as inputs to ensure the close optimum results and find the most suitable position of objects. For initialization the exhaustive searching is employed. With the good initialization, a smaller searching space is set to guaranty the online tracking ability. The first results showed the potential of the method in solving object tracking and detection problem

Hibridación de técnicas de modelado 3D y GIS para la gestión de edificios universitarios: el campus de la Universidad de Cantabria

Dentro de la línea de investigación del grupo de Gráficos por Computador y Diseño Geométrico de la Universidad de Cantabria, se ha planteado el prototipado de un sistema de gestión del patrimonio edificado de una Universidad, así se ha escogido el edificio más simbólico en la actualidad para la Universidad de Cantabria, se ha documentado digitalmente y se ha modelado en 3D mediante técnicas de ingeniería inversa, y se ha introducido en una base de datos, implementando un GIS [1], de forma que permita la gestión y conservación del edificio. El sistema se basa en que se tienen todos los datos de la base de datos alfanumérica conectados con la parte gráfica, así tendremos el campus documentado en las tres dimensiones, tanto en planta como en alzado del edificio y por extensión de todos el campus universitario. Este sistema permitirá documentar todas las patologías de los distintos edificios, así como gestionarlas a partir del Sistema de Información Geográfica que servirá como aproximación a los GIS 3D

Nueva metodología para la documentación tridimensional de estructuras arqueológicas con alta definición, el caso del yacimiento arqueológico de la Plaza Porticada en Santander

El yacimiento arqueológico de la Plaza Velarde de Santander se ubica en la esquina Sudeste de la conocida como plaza porticada y los trabajos arqueológicos desarrollados en él se han prolongado, de manera intermitente, desde 2006 hasta 2013. Las excavaciones arqueológicas realizadas han permitido documentar diversos vestigios de las estructuras que conformaban la Puebla Nueva de la villa medieval de Santander, especialmente el tramo de la cerca medieval de la villa comprendida entre la Puerta del Mar y el Portillo de Don Gutierre además de ambas entradas a la villa. También se ha podido documentar la evolución de los espacios urbanos ubicados en dicha zona desde el siglo XII hasta el XX con la construcción de las primeras estructuras pétreas de la Puebla nueva a finales del siglo XIII, la creación de la Rúa Chiquita, la posterior Plaza del Príncipe y la destrucción provocada por el incendio de 1941. También se han obtenido diversas evidencias de la ocupación del espacio extramuros de la villa colindante al tramo de muralla presente en el yacimiento, así como de proceso de ensanche de la ciudad producido a finales desde mediados del siglo XVIII y consistente en el relleno de zonas marítimas para crear nuevas áreas de población. El trabajo realizado ha permitido documentar con una alta precisión geométrica las distintas estructuras aparecidas en dicho yacimiento, consiguiendo una alta definición y resolución espacial de los distintos objetos y estructuras aparecidos durante la última fase de la excavación

Visual Servoing for Nonholonomically Constrained Three Degree of Freedom Kinematic Systems

This paper addresses problems of robot navigation with nonholonomic motion constraints and perceptual cues arising from onboard visual servoing in partially engineered environments. We propose a general hybrid procedure that adapts to the constrained motion setting the standard feedback controller arising from a navigation function in the fully actuated case. This is accomplished by switching back and forth between moving down and across the associated gradient field toward the stable manifold it induces in the constrained dynamics. Guaranteed to avoid obstacles in all cases, we provide conditions under which the new procedure brings initial configurations to within an arbitrarily small neighborhood of the goal. We summarize simulation results on a sample of visual servoing problems with a few different perceptual models. We document the empirical effectiveness of the proposed algorithm by reporting the results of its application to outdoor autonomous visual registration experiments with the robot RHex guided by engineered beacons

ViSP for visual servoing: a generic software platform with a wide class of robot control skills

Special issue on Software Packages for Vision-Based Control of Motion, P. Oh, D. Burschka (Eds.)International audienceViSP (Visual Servoing Platform), a fully functional modular architecture that allows fast development of visual servoing applications, is described. The platform takes the form of a library which can be divided in three main modules: control processes, canonical vision-based tasks that contain the most classical linkages, and real-time tracking. ViSP software environment features independence with respect to the hardware, simplicity, extendibility, and portability. ViSP also features a large library of elementary tasks with various visual features that can be combined together, an image processing library that allows the tracking of visual cues at video rate, a simulator, an interface with various classical framegrabbers, a virtual 6-DOF robot that allows the simulation of visual servoing experiments, etc. The platform is implemented in C++ under Linux

Vision-based trajectory tracking algorithm with obstacle avoidance for a wheeled mobile robot

Wheeled mobile robots are becoming increasingly important in industry as means of transportation, inspection, and operation because of their efficiency and flexibility. The design of efficient algorithms for autonomous or quasi-autonomous mobile robots navigation in dynamic environments is a challenging problem that has been the focus of many researchers dining the past few decades. Computer vision, maybe, is not the most successful sensing modality used in mobile robotics until now (sonar and infra-red sensors for example being preferred), but it is the sensor which is able to give the information ’’what” and ’’where” most completely for the objects a robot is likely to encounter. In this thesis, we deal with using vision system to navigate the mobile robot to track a reference trajectory and using a sensor-based obstacle avoidance method to pass by the objects located on the trajectory. A tracking control algorithm is also described in this thesis. Finally, The experimental results are presented to verify the tracking and control algorithms

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