Shape basis interpretation for monocular deformable 3D reconstruction

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.In this paper, we propose a novel interpretable shape model to encode object non-rigidity. We first use the initial frames of a monocular video to recover a rest shape, used later to compute a dissimilarity measure based on a distance matrix measurement. Spectral analysis is then applied to this matrix to obtain a reduced shape basis, that in contrast to existing approaches, can be physically interpreted. In turn, these pre-computed shape bases are used to linearly span the deformation of a wide variety of objects. We introduce the low-rank basis into a sequential approach to recover both camera motion and non-rigid shape from the monocular video, by simply optimizing the weights of the linear combination using bundle adjustment. Since the number of parameters to optimize per frame is relatively small, specially when physical priors are considered, our approach is fast and can potentially run in real time. Validation is done in a wide variety of real-world objects, undergoing both inextensible and extensible deformations. Our approach achieves remarkable robustness to artifacts such as noisy and missing measurements and shows an improved performance to competing methods.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Geometry-Aware Network for Non-Rigid Shape Prediction from a Single View

We propose a method for predicting the 3D shape of a deformable surface from a single view. By contrast with previous approaches, we do not need a pre-registered template of the surface, and our method is robust to the lack of texture and partial occlusions. At the core of our approach is a {\it geometry-aware} deep architecture that tackles the problem as usually done in analytic solutions: first perform 2D detection of the mesh and then estimate a 3D shape that is geometrically consistent with the image. We train this architecture in an end-to-end manner using a large dataset of synthetic renderings of shapes under different levels of deformation, material properties, textures and lighting conditions. We evaluate our approach on a test split of this dataset and available real benchmarks, consistently improving state-of-the-art solutions with a significantly lower computational time.Comment: Accepted at CVPR 201

Real-time 3D reconstruction of non-rigid shapes with a single moving camera

© . This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/This paper describes a real-time sequential method to simultaneously recover the camera motion and the 3D shape of deformable objects from a calibrated monocular video. For this purpose, we consider the Navier-Cauchy equations used in 3D linear elasticity and solved by finite elements, to model the time-varying shape per frame. These equations are embedded in an extended Kalman filter, resulting in sequential Bayesian estimation approach. We represent the shape, with unknown material properties, as a combination of elastic elements whose nodal points correspond to salient points in the image. The global rigidity of the shape is encoded by a stiffness matrix, computed after assembling each of these elements. With this piecewise model, we can linearly relate the 3D displacements with the 3D acting forces that cause the object deformation, assumed to be normally distributed. While standard finite-element-method techniques require imposing boundary conditions to solve the resulting linear system, in this work we eliminate this requirement by modeling the compliance matrix with a generalized pseudoinverse that enforces a pre-fixed rank. Our framework also ensures surface continuity without the need for a post-processing step to stitch all the piecewise reconstructions into a global smooth shape. We present experimental results using both synthetic and real videos for different scenarios ranging from isometric to elastic deformations. We also show the consistency of the estimation with respect to 3D ground truth data, include several experiments assessing robustness against artifacts and finally, provide an experimental validation of our performance in real time at frame rate for small mapsPeer ReviewedPostprint (author's final draft

Deep Shape-from-Template: Single-image quasi-isometric deformable registration and reconstruction

Shape-from-Template (SfT) solves 3D vision from a single image and a deformable 3D object model, called a template. Concretely, SfT computes registration (the correspondence between the template and the image) and reconstruction (the depth in camera frame). It constrains the object deformation to quasi-isometry. Real-time and automatic SfT represents an open problem for complex objects and imaging conditions. We present four contributions to address core unmet challenges to realise SfT with a Deep Neural Network (DNN). First, we propose a novel DNN called DeepSfT, which encodes the template in its weights and hence copes with highly complex templates. Second, we propose a semi-supervised training procedure to exploit real data. This is a practical solution to overcome the render gap that occurs when training only with simulated data. Third, we propose a geometry adaptation module to deal with different cameras at training and inference. Fourth, we combine statistical learning with physics-based reasoning. DeepSfT runs automatically and in real-time and we show with numerous experiments and an ablation study that it consistently achieves a lower 3D error than previous work. It outperforms in generalisation and achieves great performance in terms of reconstruction and registration error with wide-baseline, occlusions, illumination changes, weak texture and blur.Agencia Estatal de InvestigaciónMinisterio de Educació

Real Time Sequential Non Rigid Structure from motion using a single camera

En la actualidad las aplicaciones que basan su funcionamiento en una correcta localización y reconstrucción dentro de un entorno real en 3D han experimentado un gran interés en los últimos años, tanto por la comunidad investigadora como por la industrial. Estas aplicaciones varían desde la realidad aumentada, la robótica, la simulación, los videojuegos, etc. Dependiendo de la aplicación y del nivel de detalle de la reconstrucción, se emplean diversos dispositivos, algunos específicos, más complejos y caros como las cámaras estéreo, cámara y profundidad (RGBD) con Luz estructurada y Time of Flight (ToF), así como láser y otros más avanzados. Para aplicaciones sencillas es suficiente con dispositivos de uso común, como los smartphones, en los que aplicando técnicas de visión artificial, se pueden obtener modelos 3D del entorno para, en el caso de la realidad aumentada, mostrar información aumentada en la ubicación seleccionada.En robótica, la localización y generación simultáneas de un mapa del entorno en 3D es una tarea fundamental para conseguir la navegación autónoma. Este problema se conoce en el estado del arte como Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) o Structure from Motion (SfM). Para la aplicación de estas técnicas, el objeto no ha de cambiar su forma a lo largo del tiempo. La reconstrucción es unívoca salvo factor de escala en captura monocular sin referencia. Si la condición de rigidez no se cumple, es porque la forma del objeto cambia a lo largo del tiempo. El problema sería equivalente a realizar una reconstrucción por fotograma, lo cual no se puede hacer de manera directa, puesto que diferentes formas, combinadas con diferentes poses de cámara pueden dar proyecciones similares. Es por esto que el campo de la reconstrucción de objetos deformables es todavía un área en desarrollo. Los métodos de SfM se han adaptado aplicando modelos físicos, restricciones temporales, espaciales, geométricas o de otros tipos para reducir la ambigüedad en las soluciones, naciendo así las técnicas conocidas como Non-Rigid SfM (NRSfM).En esta tesis se propone partir de una técnica de reconstrucción rígida bien conocida en el estado del arte como es PTAM (Parallel Tracking and Mapping) y adaptarla para incluir técnicas de NRSfM, basadas en modelo de bases lineales para estimar las deformaciones del objeto modelado dinámicamente y aplicar restricciones temporales y espaciales para mejorar las reconstrucciones, además de ir adaptándose a cambios de deformación que se presenten en la secuencia. Para ello, hay que realizar cambios de manera que cada uno de sus hilos de ejecución procesen datos no rígidos.El hilo encargado del seguimiento ya realizaba seguimiento basado en un mapa de puntos 3D, proporcionado a priori. La modificación más importante aquí es la integración de un modelo de deformación lineal para que se realice el cálculo de la deformación del objeto en tiempo real, asumiendo fijas las formas básicas de deformación. El cálculo de la pose de la cámara está basado en el sistema de estimación rígido, por lo que la estimación de pose y coeficientes de deformación se hace de manera alternada usando el algoritmo E-M (Expectation-Maximization). También, se imponen restricciones temporales y de forma para restringir las ambigüedades inherentes en las soluciones y mejorar la calidad de la estimación 3D.Respecto al hilo que gestiona el mapa, se actualiza en función del tiempo para que sea capaz de mejorar las bases de deformación cuando éstas no son capaces de explicar las formas que se ven en las imágenes actuales. Para ello, se sustituye la optimización de modelo rígido incluida en este hilo por un método de procesamiento exhaustivo NRSfM, para mejorar las bases acorde a las imágenes con gran error de reconstrucción desde el hilo de seguimiento. Con esto, el modelo se consigue adaptar a nuevas deformaciones, permitiendo al sistema evolucionar y ser estable a largo plazo.A diferencia de una gran parte de los métodos de la literatura, el sistema propuesto aborda el problema de la proyección perspectiva de forma nativa, minimizando los problemas de ambigüedad y de distancia al objeto existente en la proyección ortográfica. El sistema propuesto maneja centenares de puntos y está preparado para cumplir con restricciones de tiempo real para su aplicación en sistemas con recursos hardware limitados

Monocular slam for deformable scenarios.

El problema de localizar la posición de un sensor en un mapa incierto que se estima simultáneamente se conoce como Localización y Mapeo Simultáneo --SLAM--. Es un problema desafiante comparable al paradigma del huevo y la gallina. Para ubicar el sensor necesitamos conocer el mapa, pero para construir el mapa, necesitamos la posición del sensor. Cuando se utiliza un sensor visual, por ejemplo, una cámara, se denomina Visual SLAM o VSLAM. Los sensores visuales para SLAM se dividen entre los que proporcionan información de profundidad (por ejemplo, cámaras RGB-D o equipos estéreo) y los que no (por ejemplo, cámaras monoculares o cámaras de eventos). En esta tesis hemos centrado nuestra investigación en SLAM con cámaras monoculares.Debido a la falta de percepción de profundidad, el SLAM monocular es intrínsecamente más duro en comparación con el SLAM con sensores de profundidad. Los trabajos estado del arte en VSLAM monocular han asumido normalmente que la escena permanece rígida durante toda la secuencia, lo que es una suposición factible para entornos industriales y urbanos. El supuesto de rigidez aporta las restricciones suficientes al problema y permite reconstruir un mapa fiable tras procesar varias imágenes. En los últimos años, el interés por el SLAM ha llegado a las áreas médicas donde los algoritmos SLAM podrían ayudar a orientar al cirujano o localizar la posición de un robot. Sin embargo, a diferencia de los escenarios industriales o urbanos, en secuencias dentro del cuerpo, todo puede deformarse eventualmente y la suposición de rigidez acaba siendo inválida en la práctica, y por extensión, también los algoritmos de SLAM monoculares. Por lo tanto, nuestro objetivo es ampliar los límites de los algoritmos de SLAM y concebir el primer sistema SLAM monocular capaz de hacer frente a la deformación de la escena.Los sistemas de SLAM actuales calculan la posición de la cámara y la estructura del mapa en dos subprocesos concurrentes: la localización y el mapeo. La localización se encarga de procesar cada imagen para ubicar el sensor de forma continua, en cambio el mapeo se encarga de construir el mapa de la escena. Nosotros hemos adoptado esta estructura y concebimos tanto la localización deformable como el mapeo deformable ahora capaces de recuperar la escena incluso con deformación.Nuestra primera contribución es la localización deformable. La localización deformable utiliza la estructura del mapa para recuperar la pose de la cámara con una única imagen. Simultáneamente, a medida que el mapa se deforma durante la secuencia, también recupera la deformación del mapa para cada fotograma. Hemos propuesto dos familias de localización deformable. En el primer algoritmo de localización deformable, asumimos que todos los puntos están embebidos en una superficie denominada plantilla. Podemos recuperar la deformación de la superficie gracias a un modelo de deformación global que permite estimar la deformación más probable del objeto. Con nuestro segundo algoritmo de localización deformable, demostramos que es posible recuperar la deformación del mapa sin un modelo de deformación global, representando el mapa como surfels individuales. Nuestros resultados experimentales mostraron que, recuperando la deformación del mapa, ambos métodos superan tanto en robustez como en precisión a los métodos rígidos.Nuestra segunda contribución es la concepción del mapeo deformable. Es el back-end del algoritmo SLAM y procesa un lote de imágenes para recuperar la estructura del mapa para todas las imágenes y hacer crecer el mapa ensamblando las observaciones parciales del mismo. Tanto la localización deformable como el mapeo que se ejecutan en paralelo y juntos ensamblan el primer SLAM monocular deformable: \emph{DefSLAM}. Una evaluación ampliada de nuestro método demostró, tanto en secuencias controladas por laboratorio como en secuencias médicas, que nuestro método procesa con éxito secuencias en las que falla el sistema monocular SLAM actual.Nuestra tercera contribución son dos métodos para explotar la información fotométrica en SLAM monocular deformable. Por un lado, SD-DefSLAM que aprovecha el emparejamiento semi-directo para obtener un emparejamiento mucho más fiable de los puntos del mapa en las nuevas imágenes, como consecuencia, se demostró que es más robusto y estable en secuencias médicas. Por otro lado, proponemos un método de Localización Deformable Directa y Dispersa en el que usamos un error fotométrico directo para rastrear la deformación de un mapa modelado como un conjunto de surfels 3D desconectados. Podemos recuperar la deformación de múltiples superficies desconectadas, deformaciones no isométricas o superficies con una topología cambiante.<br /

Incremental Non-Rigid Structure-from-Motion with Unknown Focal Length

The perspective camera and the isometric surface prior have recently gathered increased attention for Non-Rigid Structure-from-Motion (NRSfM). Despite the recent progress, several challenges remain, particularly the computational complexity and the unknown camera focal length. In this paper we present a method for incremental Non-Rigid Structure-from-Motion (NRSfM) with the perspective camera model and the isometric surface prior with unknown focal length. In the template-based case, we provide a method to estimate four parameters of the camera intrinsics. For the template-less scenario of NRSfM, we propose a method to upgrade reconstructions obtained for one focal length to another based on local rigidity and the so-called Maximum Depth Heuristics (MDH). On its basis we propose a method to simultaneously recover the focal length and the non-rigid shapes. We further solve the problem of incorporating a large number of points and adding more views in MDH-based NRSfM and efficiently solve them with Second-Order Cone Programming (SOCP). This does not require any shape initialization and produces results orders of times faster than many methods. We provide evaluations on standard sequences with ground-truth and qualitative reconstructions on challenging YouTube videos. These evaluations show that our method performs better in both speed and accuracy than the state of the art.Comment: ECCV 201

NR-SLAM: Non-Rigid Monocular SLAM

In this paper we present NR-SLAM, a novel non-rigid monocular SLAM system founded on the combination of a Dynamic Deformation Graph with a Visco-Elastic deformation model. The former enables our system to represent the dynamics of the deforming environment as the camera explores, while the later allows us to model general deformations in a simple way. The presented system is able to automatically initialize and extend a map modeled by a sparse point cloud in deforming environments, that is refined with a sliding-window Deformable Bundle Adjustment. This map serves as base for the estimation of the camera motion and deformation and enables us to represent arbitrary surface topologies, overcoming the limitations of previous methods. To assess the performance of our system in challenging deforming scenarios, we evaluate it in several representative medical datasets. In our experiments, NR-SLAM outperforms previous deformable SLAM systems, achieving millimeter reconstruction accuracy and bringing automated medical intervention closer. For the benefit of the community, we make the source code public.Comment: 12 pages, 7 figures, submited to the IEEE Transactions on Robotics (T-RO

Geometry-aware network for non-rigid shape prediction from a single view

© 2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting /republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksWe propose a method for predicting the 3D shape of a deformable surface from a single view. By contrast with previous approaches, we do not need a pre-registered template of the surface, and our method is robust to the lack of texture and partial occlusions. At the core of our approach is a {it geometry-aware} deep architecture that tackles the problem as usually done in analytic solutions: first perform 2D detection of the mesh and then estimate a 3D shape that is geometrically consistent with the image. We train this architecture in an end-to-end manner using a large dataset of synthetic renderings of shapes under different levels of deformation, material properties, textures and lighting conditions. We evaluate our approach on a test split of this dataset and available real benchmarks, consistently improving state-of-the-art solutions with a significantly lower computational time.Peer ReviewedPostprint (author's final draft