Remote sensing image fusion on 3D scenarios: A review of applications for agriculture and forestry

Three-dimensional (3D) image mapping of real-world scenarios has a great potential to provide the user with a more accurate scene understanding. This will enable, among others, unsupervised automatic sampling of meaningful material classes from the target area for adaptive semi-supervised deep learning techniques. This path is already being taken by the recent and fast-developing research in computational fields, however, some issues related to computationally expensive processes in the integration of multi-source sensing data remain. Recent studies focused on Earth observation and characterization are enhanced by the proliferation of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) and sensors able to capture massive datasets with a high spatial resolution. In this scope, many approaches have been presented for 3D modeling, remote sensing, image processing and mapping, and multi-source data fusion. This survey aims to present a summary of previous work according to the most relevant contributions for the reconstruction and analysis of 3D models of real scenarios using multispectral, thermal and hyperspectral imagery. Surveyed applications are focused on agriculture and forestry since these fields concentrate most applications and are widely studied. Many challenges are currently being overcome by recent methods based on the reconstruction of multi-sensorial 3D scenarios. In parallel, the processing of large image datasets has recently been accelerated by General-Purpose Graphics Processing Unit (GPGPU) approaches that are also summarized in this work. Finally, as a conclusion, some open issues and future research directions are presented.European Commission 1381202-GEU PYC20-RE-005-UJA IEG-2021Junta de Andalucia 1381202-GEU PYC20-RE-005-UJA IEG-2021Instituto de Estudios GiennesesEuropean CommissionSpanish Government UIDB/04033/2020DATI-Digital Agriculture TechnologiesPortuguese Foundation for Science and Technology 1381202-GEU FPU19/0010

Towards a real-time 3D object recognition pipeline on mobile GPGPU computing platforms using low-cost RGB-D sensors

In this project, we propose the implementation of a 3D object recognition system which will be optimized to operate under demanding time constraints. The system must be robust so that objects can be recognized properly in poor light conditions and cluttered scenes with significant levels of occlusion. An important requirement must be met: the system must exhibit a reasonable performance running on a low power consumption mobile GPU computing platform (NVIDIA Jetson TK1) so that it can be integrated in mobile robotics systems, ambient intelligence or ambient assisted living applications. The acquisition system is based on the use of color and depth (RGB-D) data streams provided by low-cost 3D sensors like Microsoft Kinect or PrimeSense Carmine. The range of algorithms and applications to be implemented and integrated will be quite broad, ranging from the acquisition, outlier removal or filtering of the input data and the segmentation or characterization of regions of interest in the scene to the very object recognition and pose estimation. Furthermore, in order to validate the proposed system, we will create a 3D object dataset. It will be composed by a set of 3D models, reconstructed from common household objects, as well as a handful of test scenes in which those objects appear. The scenes will be characterized by different levels of occlusion, diverse distances from the elements to the sensor and variations on the pose of the target objects. The creation of this dataset implies the additional development of 3D data acquisition and 3D object reconstruction applications. The resulting system has many possible applications, ranging from mobile robot navigation and semantic scene labeling to human-computer interaction (HCI) systems based on visual information

An interest point based illumination condition matching approach to photometric registration within augmented reality worlds

With recent and continued increases in computing power, and advances in the field of computer graphics, realistic augmented reality environments can now offer inexpensive and powerful solutions in a whole range of training, simulation and leisure applications. One key challenge to maintaining convincing augmentation, and therefore user immersion, is ensuring consistent illumination conditions between virtual and real environments, so that objects appear to be lit by the same light sources. This research demonstrates how real world lighting conditions can be determined from the two-dimensional view of the user. Virtual objects can then be illuminated and virtual shadows cast using these conditions. This new technique uses pairs of interest points from real objects and the shadows that they cast, viewed from a binocular perspective, to determine the position of the illuminant. This research has been initially focused on single point light sources in order to show the potential of the technique and has investigated the relationships between the many parameters of the vision system. Optimal conditions have been discovered by mapping the results of experimentally varying parameters such as FoV, camera angle and pose, image resolution, aspect ratio and illuminant distance. The technique is able to provide increased robustness where greater resolution imagery is used. Under optimal conditions it is possible to derive the position of a real world light source with low average error. An investigation of available literature has revealed that other techniques can be inflexible, slow, or disrupt scene realism. This technique is able to locate and track a moving illuminant within an unconstrained, dynamic world without the use of artificial calibration objects that would disrupt scene realism. The technique operates in real-time as the new algorithms are of low computational complexity. This allows high framerates to be maintained within augmented reality applications. Illuminant updates occur several times a second on an average to high end desktop computer. Future work will investigate the automatic identification and selection of pairs of interest points and the exploration of global illuminant conditions. The latter will include an analysis of more complex scenes and the consideration of multiple and varied light sources.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet

Online Structured Learning for Real-Time Computer Vision Gaming Applications

In recent years computer vision has played an increasingly important role in the development of computer games, and it now features as one of the core technologies for many gaming platforms. The work in this thesis addresses three problems in real-time computer vision, all of which are motivated by their potential application to computer games. We rst present an approach for real-time 2D tracking of arbitrary objects. In common with recent research in this area we incorporate online learning to provide an appearance model which is able to adapt to the target object and its surrounding background during tracking. However, our approach moves beyond the standard framework of tracking using binary classication and instead integrates tracking and learning in a more principled way through the use of structured learning. As well as providing a more powerful framework for adaptive visual object tracking, our approach also outperforms state-of-the-art tracking algorithms on standard datasets. Next we consider the task of keypoint-based object tracking. We take the traditional pipeline of matching keypoints followed by geometric verication and show how this can be embedded into a structured learning framework in order to provide principled adaptivity to a given environment. We also propose an approximation method allowing us to take advantage of recently developed binary image descriptors, meaning our approach is suitable for real-time application even on low-powered portable devices. Experimentally, we clearly see the benet that online adaptation using structured learning can bring to this problem. Finally, we present an approach for approximately recovering the dense 3D structure of a scene which has been mapped by a simultaneous localisation and mapping system. Our approach is guided by the constraints of the low-powered portable hardware we are targeting, and we develop a system which coarsely models the scene using a small number of planes. To achieve this, we frame the task as a structured prediction problem and introduce online learning into our approach to provide adaptivity to a given scene. This allows us to use relatively simple multi-view information coupled with online learning of appearance to efficiently produce coarse reconstructions of a scene