Effects of Ground Manifold Modeling on the Accuracy of Stixel Calculations

This paper highlights the role of ground manifold modeling for stixel calculations; stixels are medium-level data representations used for the development of computer vision modules for self-driving cars. By using single-disparity maps and simplifying ground manifold models, calculated stixels may suffer from noise, inconsistency, and false-detection rates for obstacles, especially in challenging datasets. Stixel calculations can be improved with respect to accuracy and robustness by using more adaptive ground manifold approximations. A comparative study of stixel results, obtained for different ground-manifold models (e.g., plane-fitting, line-fitting in v-disparities or polynomial approximation, and graph cut), defines the main part of this paper. This paper also considers the use of trinocular stereo vision and shows that this provides options to enhance stixel results, compared with the binocular recording. Comprehensive experiments are performed on two publicly available challenging datasets. We also use a novel way for comparing calculated stixels with ground truth. We compare depth information, as given by extracted stixels, with ground-truth depth, provided by depth measurements using a highly accurate LiDAR range sensor (as available in one of the public datasets). We evaluate the accuracy of four different ground-manifold methods. The experimental results also include quantitative evaluations of the tradeoff between accuracy and run time. As a result, the proposed trinocular recording together with graph-cut estimation of ground manifolds appears to be a recommended way, also considering challenging weather and lighting conditions

LiDAR-based Semantic Labeling : Automotive 3D Scene Understanding

Mobile Roboter und autonome Fahrzeuge verwenden verschiedene Sensormodalitäten zur Erkennung und Interpretation ihrer Umgebung. Neben Kameras und RaDAR Sensoren repräsentieren LiDAR Sensoren eine zentrale Komponente für moderne Methoden der Umgebungswahrnehmung. Zusätzlich zu einer präzisen Distanzmessung dieser Sensoren, ist ein umfangreiches semantisches Szeneverständnis notwendig, um ein effizientes und sicheres Agieren autonomer Systeme zu ermöglichen. In dieser Arbeit wird das neu entwickelte LiLaNet, eine echtzeitfähige, neuronale Netzarchitektur zur semantischen, punktweisen Klassifikation von LiDAR Punktwolken, vorgestellt. Hierfür finden die Ansätze der 2D Bildverarbeitung Verwendung, indem die 3D LiDAR Punktwolke als 2D zylindrisches Bild dargestellt wird. Dadurch werden Ergebnisse moderner Ansätze zur LiDAR-basierten, punktweisen Klassifikation übertroffen, was an unterschiedlichen Datensätzen demonstriert wird. Zur Entwicklung von Ansätzen des maschinellen Lernens, wie sie in dieser Arbeit verwendet werden, spielen umfangreiche Datensätze eine elementare Rolle. Aus diesem Grund werden zwei Datensätze auf Basis von modernen LiDAR Sensoren erzeugt. Durch das in dieser Arbeit entwickelte automatische Verfahren zur Datensatzgenerierung auf Basis von mehreren Sensormodalitäten, speziell der Kamera und des LiDAR Sensors, werden Kosten und Zeit der typischerweise manuellen Datensatzgenerierung reduziert. Zusätzlich wird eine multimodale Datenkompression vorgestellt, welche ein Kompressionsverfahren der Stereokamera auf den LiDAR Sensor überträgt. Dies führt zu einer Reduktion der LiDAR Daten bei gleichzeitigem Erhalt der zugrundeliegenden semantischen und geometrischen Information. Daraus resultiert eine erhöhte Echtzeitfähigkeit nachgelagerter Algorithmen autonomer Systeme. Außerdem werden zwei Erweiterungen zum vorgestellten Verfahren der semantischen Klassifikation umrissen. Zum einen wird die Sensorabhängigkeit durch Einführung des PiLaNets, einer neuen 3D Netzarchitektur, reduziert indem die LiDAR Punktwolke im 3D kartesischen Raum belassen wird, um die eher sensorabhängige 2D zylindrische Projektion zu ersetzen. Zum anderen wird die Unsicherheit neuronaler Netze implizit modelliert, indem eine Klassenhierarchie in den Trainingsprozess integriert wird. Insgesamt stellt diese Arbeit neuartige, performante Ansätze des 3D LiDAR-basierten, semantischen Szeneverstehens vor, welche zu einer Verbesserung der Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit zukünftiger mobile Roboter und autonomer Fahrzeuge beitragen

Vehicle Tracking and Motion Estimation Based on Stereo Vision Sequences

In this dissertation, a novel approach for estimating trajectories of road vehicles such as cars, vans, or motorbikes, based on stereo image sequences is presented. Moving objects are detected and reliably tracked in real-time from within a moving car. The resulting information on the pose and motion state of other moving objects with respect to the own vehicle is an essential basis for future driver assistance and safety systems, e.g., for collision prediction. The focus of this contribution is on oncoming traffic, while most existing work in the literature addresses tracking the lead vehicle. The overall approach is generic and scalable to a variety of traffic scenes including inner city, country road, and highway scenarios. A considerable part of this thesis addresses oncoming traffic at urban intersections. The parameters to be estimated include the 3D position and orientation of an object relative to the ego-vehicle, as well as the object's shape, dimension, velocity, acceleration and the rotational velocity (yaw rate). The key idea is to derive these parameters from a set of tracked 3D points on the object's surface, which are registered to a time-consistent object coordinate system, by means of an extended Kalman filter. Combining the rigid 3D point cloud model with the dynamic model of a vehicle is one main contribution of this thesis. Vehicle tracking at intersections requires covering a wide range of different object dynamics, since vehicles can turn quickly. Three different approaches for tracking objects during highly dynamic turn maneuvers up to extreme maneuvers such as skidding are presented and compared. These approaches allow for an online adaptation of the filter parameter values, overcoming manual parameter tuning depending on the dynamics of the tracked object in the scene. This is the second main contribution. Further issues include the introduction of two initialization methods, a robust outlier handling, a probabilistic approach for assigning new points to a tracked object, as well as mid-level fusion of the vision-based approach with a radar sensor. The overall system is systematically evaluated both on simulated and real-world data. The experimental results show the proposed system is able to accurately estimate the object pose and motion parameters in a variety of challenging situations, including night scenes, quick turn maneuvers, and partial occlusions. The limits of the system are also carefully investigated.In dieser Dissertation wird ein Ansatz zur Trajektorienschätzung von Straßenfahrzeugen (PKW, Lieferwagen, Motorräder,...) anhand von Stereo-Bildfolgen vorgestellt. Bewegte Objekte werden in Echtzeit aus einem fahrenden Auto heraus automatisch detektiert, vermessen und deren Bewegungszustand relativ zum eigenen Fahrzeug zuverlässig bestimmt. Die gewonnenen Informationen liefern einen entscheidenden Grundstein für zukünftige Fahrerassistenz- und Sicherheitssysteme im Automobilbereich, beispielsweise zur Kollisionsprädiktion. Während der Großteil der existierenden Literatur das Detektieren und Verfolgen vorausfahrender Fahrzeuge in Autobahnszenarien adressiert, setzt diese Arbeit einen Schwerpunkt auf den Gegenverkehr, speziell an städtischen Kreuzungen. Der Ansatz ist jedoch grundsätzlich generisch und skalierbar für eine Vielzahl an Verkehrssituationen (Innenstadt, Landstraße, Autobahn). Die zu schätzenden Parameter beinhalten die räumliche Lage des anderen Fahrzeugs relativ zum eigenen Fahrzeug, die Objekt-Geschwindigkeit und -Längsbeschleunigung, sowie die Rotationsgeschwindigkeit (Gierrate) des beobachteten Objektes. Zusätzlich werden die Objektabmaße sowie die Objektform rekonstruiert. Die Grundidee ist es, diese Parameter anhand der Transformation von beobachteten 3D Punkten, welche eine ortsfeste Position auf der Objektoberfläche besitzen, mittels eines rekursiven Schätzers (Kalman Filter) zu bestimmen. Ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit liegt in der Kombination des Starrkörpermodells der Punktewolke mit einem Fahrzeugbewegungsmodell. An Kreuzungen können sehr unterschiedliche Dynamiken auftreten, von einer Geradeausfahrt mit konstanter Geschwindigkeit bis hin zum raschen Abbiegen. Um eine manuelle Parameteradaption abhängig von der jeweiligen Szene zu vermeiden, werden drei verschiedene Ansätze zur automatisierten Anpassung der Filterparameter an die vorliegende Situation vorgestellt und verglichen. Dies stellt den zweiten Hauptbeitrag der Arbeit dar. Weitere wichtige Beiträge sind zwei alternative Initialisierungsmethoden, eine robuste Ausreißerbehandlung, ein probabilistischer Ansatz zur Zuordnung neuer Objektpunkte, sowie die Fusion des bildbasierten Verfahrens mit einem Radar-Sensor. Das Gesamtsystem wird im Rahmen dieser Arbeit systematisch anhand von simulierten und realen Straßenverkehrsszenen evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgestellte Verfahren in der Lage ist, die unbekannten Objektparameter auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen, beispielsweise bei Nacht, schnellen Abbiegemanövern oder unter Teilverdeckungen, sehr präzise zu schätzen. Die Grenzen des Systems werden ebenfalls sorgfältig untersucht

Statistical modelling of algorithms for signal processing in systems based on environment perception

One cornerstone for realising automated driving systems is an appropriate handling of uncertainties in the environment perception and situation interpretation. Uncertainties arise due to noisy sensor measurements or the unknown future evolution of a traffic situation. This work contributes to the understanding of these uncertainties by modelling and propagating them with parametric probability distributions