Place and Object Recognition for Real-time Visual Mapping

Este trabajo aborda dos de las principales dificultades presentes en los sistemas actuales de localización y creación de mapas de forma simultánea (del inglés Simultaneous Localization And Mapping, SLAM): el reconocimiento de lugares ya visitados para cerrar bucles en la trajectoria y crear mapas precisos, y el reconocimiento de objetos para enriquecer los mapas con estructuras de alto nivel y mejorar la interación entre robots y personas. En SLAM visual, las características que se extraen de las imágenes de una secuencia de vídeo se van acumulando con el tiempo, haciendo más laboriosos dos de los aspectos de la detección de bucles: la eliminación de los bucles incorrectos que se detectan entre lugares que tienen una apariencia muy similar, y conseguir un tiempo de ejecución bajo y factible en trayectorias largas. En este trabajo proponemos una técnica basada en vocabularios visuales y en bolsas de palabras para detectar bucles de manera robusta y eficiente, centrándonos en dos ideas principales: 1) aprovechar el origen secuencial de las imágenes de vídeo, y 2) hacer que todo el proceso pueda funcionar a frecuencia de vídeo. Para beneficiarnos del origen secuencial de las imágenes, presentamos una métrica de similaridad normalizada para medir el parecido entre imágenes e incrementar la distintividad de las detecciones correctas. A su vez, agrupamos los emparejamientos de imágenes candidatas a ser bucle para evitar que éstas compitan cuando realmente fueron tomadas desde el mismo lugar. Finalmente, incorporamos una restricción temporal para comprobar la coherencia entre detecciones consecutivas. La eficiencia se logra utilizando índices inversos y directos y características binarias. Un índice inverso acelera la comparación entre imágenes de lugares, y un índice directo, el cálculo de correspondencias de puntos entre éstas. Por primera vez, en este trabajo se han utilizado características binarias para detectar bucles, dando lugar a una solución viable incluso hasta para decenas de miles de imágenes. Los bucles se verifican comprobando la coherencia de la geometría de las escenas emparejadas. Para ello utilizamos varios métodos robustos que funcionan tanto con una como con múltiples cámaras. Presentamos resultados competitivos y sin falsos positivos en distintas secuencias, con imágenes adquiridas tanto a alta como a baja frecuencia, con cámaras frontales y laterales, y utilizando el mismo vocabulario y la misma configuración. Con descriptores binarios, el sistema completo requiere 22 milisegundos por imagen en una secuencia de 26.300 imágenes, resultando un orden de magnitud más rápido que otras técnicas actuales. Se puede utilizar un algoritmo similar al de reconocimiento de lugares para resolver el reconocimiento de objetos en SLAM visual. Detectar objetos en este contexto es particularmente complicado debido a que las distintas ubicaciones, posiciones y tamaños en los que se puede ver un objeto en una imagen son potencialmente infinitos, por lo que suelen ser difíciles de distinguir. Además, esta complejidad se multiplica cuando la comparación ha de hacerse contra varios objetos 3D. Nuestro esfuerzo en este trabajo está orientado a: 1) construir el primer sistema de SLAM visual que puede colocar objectos 3D reales en el mapa, y 2) abordar los problemas de escalabilidad resultantes al tratar con múltiples objetos y vistas de éstos. En este trabajo, presentamos el primer sistema de SLAM monocular que reconoce objetos 3D, los inserta en el mapa y refina su posición en el espacio 3D a medida que el mapa se va construyendo, incluso cuando los objetos dejan de estar en el campo de visión de la cámara. Esto se logra en tiempo real con modelos de objetos compuestos por información tridimensional y múltiples imágenes representando varios puntos de vista del objeto. Después nos centramos en la escalabilidad de la etapa del reconocimiento de los objetos 3D. Presentamos una técnica rápida para segmentar imágenes en regiones de interés para detectar objetos pequeños o lejanos. Tras ello, proponemos sustituir el modelo de objetos de vistas independientes por un modelado con una única bolsa de palabras de características binarias asociadas a puntos 3D. Creamos también una base de datos que incorpora índices inversos y directos para aprovechar sus ventajas a la hora de recuperar rápidamente tanto objetos candidatos a ser detectados como correspondencias de puntos, tal y como hacían en el caso de la detección de bucles. Los resultados experimentales muestran que nuestro sistema funciona en tiempo real en un entorno de escritorio con cámara en mano y en una habitación con una cámara montada sobre un robot autónomo. Las mejoras en el proceso de reconocimiento obtienen resultados satisfactorios, sin detecciones erróneas y con un tiempo de ejecución medio de 28 milisegundos por imagen con una base de datos de 20 objetos 3D

Geometry-Aware Learning of Maps for Camera Localization

Maps are a key component in image-based camera localization and visual SLAM systems: they are used to establish geometric constraints between images, correct drift in relative pose estimation, and relocalize cameras after lost tracking. The exact definitions of maps, however, are often application-specific and hand-crafted for different scenarios (e.g. 3D landmarks, lines, planes, bags of visual words). We propose to represent maps as a deep neural net called MapNet, which enables learning a data-driven map representation. Unlike prior work on learning maps, MapNet exploits cheap and ubiquitous sensory inputs like visual odometry and GPS in addition to images and fuses them together for camera localization. Geometric constraints expressed by these inputs, which have traditionally been used in bundle adjustment or pose-graph optimization, are formulated as loss terms in MapNet training and also used during inference. In addition to directly improving localization accuracy, this allows us to update the MapNet (i.e., maps) in a self-supervised manner using additional unlabeled video sequences from the scene. We also propose a novel parameterization for camera rotation which is better suited for deep-learning based camera pose regression. Experimental results on both the indoor 7-Scenes dataset and the outdoor Oxford RobotCar dataset show significant performance improvement over prior work. The MapNet project webpage is https://goo.gl/mRB3Au.Comment: CVPR 2018 camera ready paper + supplementary materia

Semi-supervised Vector-Quantization in Visual SLAM using HGCN

In this paper, two semi-supervised appearance based loop closure detection technique, HGCN-FABMAP and HGCN-BoW are introduced. Furthermore an extension to the current state of the art localization SLAM algorithm, ORB-SLAM, is presented. The proposed HGCN-FABMAP method is implemented in an off-line manner incorporating Bayesian probabilistic schema for loop detection decision making. Specifically, we let a Hyperbolic Graph Convolutional Neural Network (HGCN) to operate over the SURF features graph space, and perform vector quantization part of the SLAM procedure. This part previously was performed in an unsupervised manner using algorithms like HKmeans, kmeans++,..etc. The main Advantage of using HGCN, is that it scales linearly in number of graph edges. Experimental results shows that HGCN-FABMAP algorithm needs far more cluster centroids than HGCN-ORB, otherwise it fails to detect loop closures. Therefore we consider HGCN-ORB to be more efficient in terms of memory consumption, also we conclude the superiority of HGCN-BoW and HGCN-FABMAP with respect to other algorithms

HBST: A Hamming Distance embedding Binary Search Tree for Visual Place Recognition

Reliable and efficient Visual Place Recognition is a major building block of modern SLAM systems. Leveraging on our prior work, in this paper we present a Hamming Distance embedding Binary Search Tree (HBST) approach for binary Descriptor Matching and Image Retrieval. HBST allows for descriptor Search and Insertion in logarithmic time by exploiting particular properties of binary Feature descriptors. We support the idea behind our search structure with a thorough analysis on the exploited descriptor properties and their effects on completeness and complexity of search and insertion. To validate our claims we conducted comparative experiments for HBST and several state-of-the-art methods on a broad range of publicly available datasets. HBST is available as a compact open-source C++ header-only library.Comment: Submitted to IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L) 2018 with International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) 2018 option, 8 pages, 10 figure

Real-time Monocular Object SLAM

We present a real-time object-based SLAM system that leverages the largest object database to date. Our approach comprises two main components: 1) a monocular SLAM algorithm that exploits object rigidity constraints to improve the map and find its real scale, and 2) a novel object recognition algorithm based on bags of binary words, which provides live detections with a database of 500 3D objects. The two components work together and benefit each other: the SLAM algorithm accumulates information from the observations of the objects, anchors object features to especial map landmarks and sets constrains on the optimization. At the same time, objects partially or fully located within the map are used as a prior to guide the recognition algorithm, achieving higher recall. We evaluate our proposal on five real environments showing improvements on the accuracy of the map and efficiency with respect to other state-of-the-art techniques