Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure

A fixed-frequency beam-scanning 1D antenna based on Liquid Crystals (LCs) is designed for application in 2D scanning with lateral alignment. The 2D array environment imposes full decoupling of adjacent 1D antennas, which often conflicts with the LC requirement of DC biasing: the proposed design accommodates both. The LC medium is placed inside a Substrate Integrated Waveguide (SIW) modified to work as a Groove Gap Waveguide, with radiating slots etched on the upper broad wall, that radiates as a Leaky-Wave Antenna (LWA). This allows effective application of the DC bias voltage needed for tuning the LCs. At the same time, the RF field remains laterally confined, enabling the possibility to lay several antennas in parallel and achieve 2D beam scanning. The design is validated by simulation employing the actual properties of a commercial LC medium

Holoscopic 3D imaging and display technology: Camera/ processing/ display

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University LondonHoloscopic 3D imaging “Integral imaging” was first proposed by Lippmann in 1908. It has become an attractive technique for creating full colour 3D scene that exists in space. It promotes a single camera aperture for recording spatial information of a real scene and it uses a regularly spaced microlens arrays to simulate the principle of Fly’s eye technique, which creates physical duplicates of light field “true 3D-imaging technique”. While stereoscopic and multiview 3D imaging systems which simulate human eye technique are widely available in the commercial market, holoscopic 3D imaging technology is still in the research phase. The aim of this research is to investigate spatial resolution of holoscopic 3D imaging and display technology, which includes holoscopic 3D camera, processing and display. Smart microlens array architecture is proposed that doubles spatial resolution of holoscopic 3D camera horizontally by trading horizontal and vertical resolutions. In particular, it overcomes unbalanced pixel aspect ratio of unidirectional holoscopic 3D images. In addition, omnidirectional holoscopic 3D computer graphics rendering techniques are proposed that simplify the rendering complexity and facilitate holoscopic 3D content generation. Holoscopic 3D image stitching algorithm is proposed that widens overall viewing angle of holoscopic 3D camera aperture and pre-processing of holoscopic 3D image filters are proposed for spatial data alignment and 3D image data processing. In addition, Dynamic hyperlinker tool is developed that offers interactive holoscopic 3D video content search-ability and browse-ability. Novel pixel mapping techniques are proposed that improves spatial resolution and visual definition in space. For instance, 4D-DSPM enhances 3D pixels per inch from 44 3D-PPIs to 176 3D-PPIs horizontally and achieves spatial resolution of 1365 × 384 3D-Pixels whereas the traditional spatial resolution is 341 × 1536 3D-Pixels. In addition distributed pixel mapping is proposed that improves quality of holoscopic 3D scene in space by creating RGB-colour channel elemental images

Deep Learning for 3D Visual Perception

La percepción visual 3D se refiere al conjunto de problemas que engloban la reunión de información a través de un sensor visual y la estimación la posición tridimensional y estructura de los objetos y formaciones al rededor del sensor. Algunas funcionalidades como la estimación de la ego moción o construcción de mapas are esenciales para otras tareas de más alto nivel como conducción autónoma o realidad aumentada. En esta tesis se han atacado varios desafíos en la percepción 3D, todos ellos útiles desde la perspectiva de SLAM (Localización y Mapeo Simultáneos) que en si es un problema de percepción 3D.Localización y Mapeo Simultáneos –SLAM– busca realizar el seguimiento de la posición de un dispositivo (por ejemplo de un robot, un teléfono o unas gafas de realidad virtual) con respecto al mapa que está construyendo simultáneamente mientras la plataforma explora el entorno. SLAM es una tecnología muy relevante en distintas aplicaciones como realidad virtual, realidad aumentada o conducción autónoma. SLAM Visual es el termino utilizado para referirse al problema de SLAM resuelto utilizando unicamente sensores visuales. Muchas de las piezas del sistema ideal de SLAM son, hoy en día, bien conocidas, maduras y en muchos casos presentes en aplicaciones. Sin embargo, hay otras piezas que todavía presentan desafíos de investigación significantes. En particular, en los que hemos trabajado en esta tesis son la estimación de la estructura 3D al rededor de una cámara a partir de una sola imagen, reconocimiento de lugares ya visitados bajo cambios de apariencia drásticos, reconstrucción de alto nivel o SLAM en entornos dinámicos; todos ellos utilizando redes neuronales profundas.Estimación de profundidad monocular is la tarea de percibir la distancia a la cámara de cada uno de los pixeles en la imagen, utilizando solo la información que obtenemos de una única imagen. Este es un problema mal condicionado, y por lo tanto es muy difícil de inferir la profundidad exacta de los puntos en una sola imagen. Requiere conocimiento de lo que se ve y del sensor que utilizamos. Por ejemplo, si podemos saber que un modelo de coche tiene cierta altura y también sabemos el tipo de cámara que hemos utilizado (distancia focal, tamaño de pixel...); podemos decir que si ese coche tiene cierta altura en la imagen, por ejemplo 50 pixeles, esta a cierta distancia de la cámara. Para ello nosotros presentamos el primer trabajo capaz de estimar profundidad a partir de una sola vista que es capaz de obtener un funcionamiento razonable con múltiples tipos de cámara; como un teléfono o una cámara de video.También presentamos como estimar, utilizando una sola imagen, la estructura de una habitación o el plan de la habitación. Para este segundo trabajo, aprovechamos imágenes esféricas tomadas por una cámara panorámica utilizando una representación equirectangular. Utilizando estas imágenes recuperamos el plan de la habitación, nuestro objetivo es reconocer las pistas en la imagen que definen la estructura de una habitación. Nos centramos en recuperar la versión más simple, que son las lineas que separan suelo, paredes y techo.Localización y mapeo a largo plazo requiere dar solución a los cambios de apariencia en el entorno; el efecto que puede tener en una imagen tomarla en invierno o verano puede ser muy grande. Introducimos un modelo multivista invariante a cambios de apariencia que resuelve el problema de reconocimiento de lugares de forma robusta. El reconocimiento de lugares visual trata de identificar un lugar que ya hemos visitado asociando pistas visuales que se ven en las imágenes; la tomada en el pasado y la tomada en el presente. Lo preferible es ser invariante a cambios en punto de vista, iluminación, objetos dinámicos y cambios de apariencia a largo plazo como el día y la noche, las estaciones o el clima.Para tener funcionalidad a largo plazo también presentamos DynaSLAM, un sistema de SLAM que distingue las partes estáticas y dinámicas de la escena. Se asegura de estimar su posición unicamente basándose en las partes estáticas y solo reconstruye el mapa de las partes estáticas. De forma que si visitamos una escena de nuevo, nuestro mapa no se ve afectado por la presencia de nuevos objetos dinámicos o la desaparición de los anteriores.En resumen, en esta tesis contribuimos a diferentes problemas de percepción 3D; todos ellos resuelven problemas del SLAM Visual.<br /

Kaleidoscopic imaging

Kaleidoscopes have a great potential in computational photography as a tool for redistributing light rays. In time-of-flight imaging the concept of the kaleidoscope is also useful when dealing with the reconstruction of the geometry that causes multiple reflections. This work is a step towards opening new possibilities for the use of mirror systems as well as towards making their use more practical. The focus of this work is the analysis of planar kaleidoscope systems to enable their practical applicability in 3D imaging tasks. We analyse important practical properties of mirror systems and develop a theoretical toolbox for dealing with planar kaleidoscopes. Based on this theoretical toolbox we explore the use of planar kaleidoscopes for multi-view imaging and for the acquisition of 3D objects. The knowledge of the mirrors positions is crucial for these multi-view applications. On the other hand, the reconstruction of the geometry of a mirror room from time-of-flight measurements is also an important problem. We therefore employ the developed tools for solving this problem using multiple observations of a single scene point.Kaleidoskope haben in der rechnergestützten Fotografie ein großes Anwendungspotenzial, da sie flexibel zur Umverteilung von Lichtstrahlen genutzt werden können. Diese Arbeit ist ein Schritt auf dem Weg zu neuen Einsatzmöglichkeiten von Spiegelsystemen und zu ihrer praktischen Anwendung. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt dabei auf der Analyse planarer Spiegelsysteme mit dem Ziel, sie für Aufgaben in der 3D-Bilderzeugung praktisch nutzbar zu machen. Auch für die Time-of-flight-Technologie ist das Konzept des Kaleidoskops, wie in der Arbeit gezeigt wird, bei der Rekonstruktion von Mehrfachreflektionen erzeugender Geometrie von Nutzen. In der Arbeit wird ein theoretischer Ansatz entwickelt der die Analyse planarer Kaleidoskope stark vereinfacht. Mithilfe dieses Ansatzes wird der Einsatz planarer Spiegelsysteme im Multiview Imaging und bei der Erfassung von 3-D-Objekten untersucht. Das Wissen um die Spiegelpositionen innerhalb des Systems ist für diese Anwendungen entscheidend und erfordert die Entwicklung geeigneter Methoden zur Kalibrierung dieser Positionen. Ein ähnliches Problem tritt in Time-of-Flight Anwendungen bei der, oft unerwünschten, Aufnahme von Mehrfachreflektionen auf. Beide Problemstellungen lassen sich auf die Rekonstruktion der Geometrie eines Spiegelraums zurückführen, das mit Hilfe des entwickelten Ansatzes in allgemeinererWeise als bisher gelöst werden kann