Visual Odometry and Sparse Scene Reconstruction for UAVs with a Multi-Fisheye Camera System

Autonomously operating UAVs demand a fast localization for navigation, to actively explore unknown areas and to create maps. For pose estimation, many UAV systems make use of a combination of GPS receivers and inertial sensor units (IMU). However, GPS signal coverage may go down occasionally, especially in the close vicinity of objects, and precise IMUs are too heavy to be carried by lightweight UAVs. This and the high cost of high quality IMU motivate the use of inexpensive vision based sensors for localization using visual odometry or visual SLAM (simultaneous localization and mapping) techniques. The first contribution of this thesis is a more general approach to bundle adjustment with an extended version of the projective coplanarity equation which enables us to make use of omnidirectional multi-camera systems which may consist of fisheye cameras that can capture a large field of view with one shot. We use ray directions as observations instead of image points which is why our approach does not rely on a specific projection model assuming a central projection. In addition, our approach allows the integration and estimation of points at infinity, which classical bundle adjustments are not capable of. We show that the integration of far or infinitely far points stabilizes the estimation of the rotation angles of the camera poses. In its second contribution, we employ this approach to bundle adjustment in a highly integrated system for incremental pose estimation and mapping on light-weight UAVs. Based on the image sequences of a multi-camera system our system makes use of tracked feature points to incrementally build a sparse map and incrementally refines this map using the iSAM2 algorithm. Our system is able to optionally integrate GPS information on the level of carrier phase observations even in underconstrained situations, e.g. if only two satellites are visible, for georeferenced pose estimation. This way, we are able to use all available information in underconstrained GPS situations to keep the mapped 3D model accurate and georeferenced. In its third contribution, we present an approach for re-using existing methods for dense stereo matching with fisheye cameras, which has the advantage that highly optimized existing methods can be applied as a black-box without modifications even with cameras that have field of view of more than 180 deg. We provide a detailed accuracy analysis of the obtained dense stereo results. The accuracy analysis shows the growing uncertainty of observed image points of fisheye cameras due to increasing blur towards the image border. Core of the contribution is a rigorous variance component estimation which allows to estimate the variance of the observed disparities at an image point as a function of the distance of that point to the principal point. We show that this improved stochastic model provides a more realistic prediction of the uncertainty of the triangulated 3D points.Autonom operierende UAVs benötigen eine schnelle Lokalisierung zur Navigation, zur Exploration unbekannter Umgebungen und zur Kartierung. Zur Posenbestimmung verwenden viele UAV-Systeme eine Kombination aus GPS-Empfängern und Inertial-Messeinheiten (IMU). Die Verfügbarkeit von GPS-Signalen ist jedoch nicht überall gewährleistet, insbesondere in der Nähe abschattender Objekte, und präzise IMUs sind für leichtgewichtige UAVs zu schwer. Auch die hohen Kosten qualitativ hochwertiger IMUs motivieren den Einsatz von kostengünstigen bildgebenden Sensoren zur Lokalisierung mittels visueller Odometrie oder SLAM-Techniken zur simultanen Lokalisierung und Kartierung. Im ersten wissenschaftlichen Beitrag dieser Arbeit entwickeln wir einen allgemeineren Ansatz für die Bündelausgleichung mit einem erweiterten Modell für die projektive Kollinearitätsgleichung, sodass auch omnidirektionale Multikamerasysteme verwendet werden können, welche beispielsweise bestehend aus Fisheyekameras mit einer Aufnahme einen großen Sichtbereich abdecken. Durch die Integration von Strahlrichtungen als Beobachtungen ist unser Ansatz nicht von einem kameraspezifischen Abbildungsmodell abhängig solange dieses der Zentralprojektion folgt. Zudem erlaubt unser Ansatz die Integration und Schätzung von unendlich fernen Punkten, was bei klassischen Bündelausgleichungen nicht möglich ist. Wir zeigen, dass durch die Integration weit entfernter und unendlich ferner Punkte die Schätzung der Rotationswinkel der Kameraposen stabilisiert werden kann. Im zweiten Beitrag verwenden wir diesen entwickelten Ansatz zur Bündelausgleichung für ein System zur inkrementellen Posenschätzung und dünnbesetzten Kartierung auf einem leichtgewichtigen UAV. Basierend auf den Bildsequenzen eines Mulitkamerasystems baut unser System mittels verfolgter markanter Bildpunkte inkrementell eine dünnbesetzte Karte auf und verfeinert diese inkrementell mittels des iSAM2-Algorithmus. Unser System ist in der Lage optional auch GPS Informationen auf dem Level von GPS-Trägerphasen zu integrieren, wodurch sogar in unterbestimmten Situation - beispielsweise bei nur zwei verfügbaren Satelliten - diese Informationen zur georeferenzierten Posenschätzung verwendet werden können. Im dritten Beitrag stellen wir einen Ansatz zur Verwendung existierender Methoden für dichtes Stereomatching mit Fisheyekameras vor, sodass hoch optimierte existierende Methoden als Black Box ohne Modifzierungen sogar mit Kameras mit einem Gesichtsfeld von mehr als 180 Grad verwendet werden können. Wir stellen eine detaillierte Genauigkeitsanalyse basierend auf dem Ergebnis des dichten Stereomatchings dar. Die Genauigkeitsanalyse zeigt, wie stark die Genauigkeit beobachteter Bildpunkte bei Fisheyekameras zum Bildrand aufgrund von zunehmender Unschärfe abnimmt. Das Kernstück dieses Beitrags ist eine Varianzkomponentenschätzung, welche die Schätzung der Varianz der beobachteten Disparitäten an einem Bildpunkt als Funktion von der Distanz dieses Punktes zum Hauptpunkt des Bildes ermöglicht. Wir zeigen, dass dieses verbesserte stochastische Modell eine realistischere Prädiktion der Genauigkeiten der 3D Punkte ermöglicht

A Stereo-Panoramic Telepresence System for Construction Machines

Abstract Working machines in construction sites or emergency scenarios can operate in situations that can be dangerous for the operator. On the contrary, remote operation has been typically hindered by limited sense of presence of the operator in the environment due to the reduced field of view of cameras. Starting from these considerations, this work introduces a novel real-time panoramic telepresence system for construction machines. This system does allow fully immersive operations in critical scenarios while keeping the operator in a safe location at safe distance from the construction operation. An omnidirectional stereo vision head mounted over the machine acquires and sends data to the operator with a streaming technique that focuses on the current direction of sight of the operator. The operator uses a head-mounted display to experience the remote site also with the possibility to view digital information overlaid to the remote scene as a type of augmented reality. The paper addresses the design and architecture of the system starting from the vision system and then proceeding to the immersive visualization

OmniZoomer: Learning to Move and Zoom in on Sphere at High-Resolution

Omnidirectional images (ODIs) have become increasingly popular, as their large field-of-view (FoV) can offer viewers the chance to freely choose the view directions in immersive environments such as virtual reality. The M\"obius transformation is typically employed to further provide the opportunity for movement and zoom on ODIs, but applying it to the image level often results in blurry effect and aliasing problem. In this paper, we propose a novel deep learning-based approach, called \textbf{OmniZoomer}, to incorporate the M\"obius transformation into the network for movement and zoom on ODIs. By learning various transformed feature maps under different conditions, the network is enhanced to handle the increasing edge curvatures, which alleviates the blurry effect. Moreover, to address the aliasing problem, we propose two key components. Firstly, to compensate for the lack of pixels for describing curves, we enhance the feature maps in the high-resolution (HR) space and calculate the transformed index map with a spatial index generation module. Secondly, considering that ODIs are inherently represented in the spherical space, we propose a spherical resampling module that combines the index map and HR feature maps to transform the feature maps for better spherical correlation. The transformed feature maps are decoded to output a zoomed ODI. Experiments show that our method can produce HR and high-quality ODIs with the flexibility to move and zoom in to the object of interest. Project page is available at http://vlislab22.github.io/OmniZoomer/.Comment: Accepted by ICCV 202

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multi-camera systems are being deployed in a variety of vehicles and mobile robots today. To eliminate the need for cost and labor intensive maintenance and calibration, continuous self-calibration is highly desirable. In this book we present such an approach for self-calibration of multi-Camera systems for vehicle surround sensing. In an extensive evaluation we assess our algorithm quantitatively using real-world data

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multikamerasysteme werden heute bereits in einer Vielzahl von Fahrzeugen und mobilen Robotern eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von einfachen Assistenzfunktionen wie der Erzeugung einer virtuellen Rundumsicht bis hin zur Umfelderfassung, wie sie für teil- und vollautomatisches Fahren benötigt wird. Damit aus den Kamerabildern metrische Größen wie Distanzen und Winkel abgeleitet werden können und ein konsistentes Umfeldmodell aufgebaut werden kann, muss das Abbildungsverhalten der einzelnen Kameras sowie deren relative Lage zueinander bekannt sein. Insbesondere die Bestimmung der relativen Lage der Kameras zueinander, die durch die extrinsische Kalibrierung beschrieben wird, ist aufwendig, da sie nur im Gesamtverbund erfolgen kann. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass es über die Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg zu nicht vernachlässigbaren Veränderungen durch äußere Einflüsse kommt. Um den hohen Zeit- und Kostenaufwand einer regelmäßigen Wartung zu vermeiden, ist ein Selbstkalibrierungsverfahren erforderlich, das die extrinsischen Kalibrierparameter fortlaufend nachschätzt. Für die Selbstkalibrierung wird typischerweise das Vorhandensein überlappender Sichtbereiche ausgenutzt, um die extrinsische Kalibrierung auf der Basis von Bildkorrespondenzen zu schätzen. Falls die Sichtbereiche mehrerer Kameras jedoch nicht überlappen, lassen sich die Kalibrierparameter auch aus den relativen Bewegungen ableiten, die die einzelnen Kameras beobachten. Die Bewegung typischer Straßenfahrzeuge lässt dabei jedoch nicht die Bestimmung aller Kalibrierparameter zu. Um die vollständige Schätzung der Parameter zu ermöglichen, lassen sich weitere Bedingungsgleichungen, die sich z.B. aus der Beobachtung der Bodenebene ergeben, einbinden. In dieser Arbeit wird dazu in einer theoretischen Analyse gezeigt, welche Parameter sich aus der Kombination verschiedener Bedingungsgleichungen eindeutig bestimmen lassen. Um das Umfeld eines Fahrzeugs vollständig erfassen zu können, werden typischerweise Objektive, wie zum Beispiel Fischaugenobjektive, eingesetzt, die einen sehr großen Bildwinkel ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung von Bildkorrespondenzen vorgeschlagen, das die geometrischen Verzerrungen, die sich durch die Verwendung von Fischaugenobjektiven und sich stark ändernden Ansichten ergeben, berücksichtigt. Darauf aufbauend stellen wir ein robustes Verfahren zur Nachführung der Parameter der Bodenebene vor. Basierend auf der theoretischen Analyse der Beobachtbarkeit und den vorgestellten Verfahren stellen wir ein robustes, rekursives Kalibrierverfahren vor, das auf einem erweiterten Kalman-Filter aufbaut. Das vorgestellte Kalibrierverfahren zeichnet sich insbesondere durch die geringe Anzahl von internen Parametern, sowie durch die hohe Flexibilität hinsichtlich der einbezogenen Bedingungsgleichungen aus und basiert einzig auf den Bilddaten des Multikamerasystems. In einer umfangreichen experimentellen Auswertung mit realen Daten vergleichen wir die Ergebnisse der auf unterschiedlichen Bedingungsgleichungen und Bewegungsmodellen basierenden Verfahren mit den aus einer Referenzkalibrierung bestimmten Parametern. Die besten Ergebnisse wurden dabei durch die Kombination aller vorgestellten Bedingungsgleichungen erzielt. Anhand mehrerer Beispiele zeigen wir, dass die erreichte Genauigkeit ausreichend für eine Vielzahl von Anwendungen ist

Multi-task near-field perception for autonomous driving using surround-view fisheye cameras

Die Bildung der Augen führte zum Urknall der Evolution. Die Dynamik änderte sich von einem primitiven Organismus, der auf den Kontakt mit der Nahrung wartete, zu einem Organismus, der durch visuelle Sensoren gesucht wurde. Das menschliche Auge ist eine der raffiniertesten Entwicklungen der Evolution, aber es hat immer noch Mängel. Der Mensch hat über Millionen von Jahren einen biologischen Wahrnehmungsalgorithmus entwickelt, der in der Lage ist, Autos zu fahren, Maschinen zu bedienen, Flugzeuge zu steuern und Schiffe zu navigieren. Die Automatisierung dieser Fähigkeiten für Computer ist entscheidend für verschiedene Anwendungen, darunter selbstfahrende Autos, Augmented Realität und architektonische Vermessung. Die visuelle Nahfeldwahrnehmung im Kontext von selbstfahrenden Autos kann die Umgebung in einem Bereich von 0 - 10 Metern und 360° Abdeckung um das Fahrzeug herum wahrnehmen. Sie ist eine entscheidende Entscheidungskomponente bei der Entwicklung eines sichereren automatisierten Fahrens. Jüngste Fortschritte im Bereich Computer Vision und Deep Learning in Verbindung mit hochwertigen Sensoren wie Kameras und LiDARs haben ausgereifte Lösungen für die visuelle Wahrnehmung hervorgebracht. Bisher stand die Fernfeldwahrnehmung im Vordergrund. Ein weiteres wichtiges Problem ist die begrenzte Rechenleistung, die für die Entwicklung von Echtzeit-Anwendungen zur Verfügung steht. Aufgrund dieses Engpasses kommt es häufig zu einem Kompromiss zwischen Leistung und Laufzeiteffizienz. Wir konzentrieren uns auf die folgenden Themen, um diese anzugehen: 1) Entwicklung von Nahfeld-Wahrnehmungsalgorithmen mit hoher Leistung und geringer Rechenkomplexität für verschiedene visuelle Wahrnehmungsaufgaben wie geometrische und semantische Aufgaben unter Verwendung von faltbaren neuronalen Netzen. 2) Verwendung von Multi-Task-Learning zur Überwindung von Rechenengpässen durch die gemeinsame Nutzung von initialen Faltungsschichten zwischen den Aufgaben und die Entwicklung von Optimierungsstrategien, die die Aufgaben ausbalancieren.The formation of eyes led to the big bang of evolution. The dynamics changed from a primitive organism waiting for the food to come into contact for eating food being sought after by visual sensors. The human eye is one of the most sophisticated developments of evolution, but it still has defects. Humans have evolved a biological perception algorithm capable of driving cars, operating machinery, piloting aircraft, and navigating ships over millions of years. Automating these capabilities for computers is critical for various applications, including self-driving cars, augmented reality, and architectural surveying. Near-field visual perception in the context of self-driving cars can perceive the environment in a range of 0 - 10 meters and 360° coverage around the vehicle. It is a critical decision-making component in the development of safer automated driving. Recent advances in computer vision and deep learning, in conjunction with high-quality sensors such as cameras and LiDARs, have fueled mature visual perception solutions. Until now, far-field perception has been the primary focus. Another significant issue is the limited processing power available for developing real-time applications. Because of this bottleneck, there is frequently a trade-off between performance and run-time efficiency. We concentrate on the following issues in order to address them: 1) Developing near-field perception algorithms with high performance and low computational complexity for various visual perception tasks such as geometric and semantic tasks using convolutional neural networks. 2) Using Multi-Task Learning to overcome computational bottlenecks by sharing initial convolutional layers between tasks and developing optimization strategies that balance tasks