Semantic Instance Annotation of Street Scenes by 3D to 2D Label Transfer

Semantic annotations are vital for training models for object recognition, semantic segmentation or scene understanding. Unfortunately, pixelwise annotation of images at very large scale is labor-intensive and only little labeled data is available, particularly at instance level and for street scenes. In this paper, we propose to tackle this problem by lifting the semantic instance labeling task from 2D into 3D. Given reconstructions from stereo or laser data, we annotate static 3D scene elements with rough bounding primitives and develop a model which transfers this information into the image domain. We leverage our method to obtain 2D labels for a novel suburban video dataset which we have collected, resulting in 400k semantic and instance image annotations. A comparison of our method to state-of-the-art label transfer baselines reveals that 3D information enables more efficient annotation while at the same time resulting in improved accuracy and time-coherent labels.Comment: 10 pages in Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 201

Modeling the environment with egocentric vision systems

Cada vez más sistemas autónomos, ya sean robots o sistemas de asistencia, están presentes en nuestro día a día. Este tipo de sistemas interactúan y se relacionan con su entorno y para ello necesitan un modelo de dicho entorno. En función de las tareas que deben realizar, la información o el detalle necesario del modelo varía. Desde detallados modelos 3D para sistemas de navegación autónomos, a modelos semánticos que incluyen información importante para el usuario como el tipo de área o qué objetos están presentes. La creación de estos modelos se realiza a través de las lecturas de los distintos sensores disponibles en el sistema. Actualmente, gracias a su pequeño tamaño, bajo precio y la gran información que son capaces de capturar, las cámaras son sensores incluidos en todos los sistemas autónomos. El objetivo de esta tesis es el desarrollar y estudiar nuevos métodos para la creación de modelos del entorno a distintos niveles semánticos y con distintos niveles de precisión. Dos puntos importantes caracterizan el trabajo desarrollado en esta tesis: - El uso de cámaras con punto de vista egocéntrico o en primera persona ya sea en un robot o en un sistema portado por el usuario (wearable). En este tipo de sistemas, las cámaras son solidarias al sistema móvil sobre el que van montadas. En los últimos años han aparecido muchos sistemas de visión wearables, utilizados para multitud de aplicaciones, desde ocio hasta asistencia de personas. - El uso de sistemas de visión omnidireccional, que se distinguen por su gran campo de visión, incluyendo mucha más información en cada imagen que las cámara convencionales. Sin embargo plantean nuevas dificultades debido a distorsiones y modelos de proyección más complejos. Esta tesis estudia distintos tipos de modelos del entorno: - Modelos métricos: el objetivo de estos modelos es crear representaciones detalladas del entorno en las que localizar con precisión el sistema autónomo. Ésta tesis se centra en la adaptación de estos modelos al uso de visión omnidireccional, lo que permite capturar más información en cada imagen y mejorar los resultados en la localización. - Modelos topológicos: estos modelos estructuran el entorno en nodos conectados por arcos. Esta representación tiene menos precisión que la métrica, sin embargo, presenta un nivel de abstracción mayor y puede modelar el entorno con más riqueza. %, por ejemplo incluyendo el tipo de área de cada nodo, la localización de objetos importantes o el tipo de conexión entre los distintos nodos. Esta tesis se centra en la creación de modelos topológicos con información adicional sobre el tipo de área de cada nodo y conexión (pasillo, habitación, puertas, escaleras...). - Modelos semánticos: este trabajo también contribuye en la creación de nuevos modelos semánticos, más enfocados a la creación de modelos para aplicaciones en las que el sistema interactúa o asiste a una persona. Este tipo de modelos representan el entorno a través de conceptos cercanos a los usados por las personas. En particular, esta tesis desarrolla técnicas para obtener y propagar información semántica del entorno en secuencias de imágen

Augmented indoor hybrid maps using catadioptric vision

En este Trabajo de Fin de Máster se presenta un nuevo método para crear mapas semánticos a partir de secuencias de imágenes omnidireccionales. El objetivo es diseñar el nivel superior de un mapa jerárquico: mapa semántico o mapa topológico aumentado, aprovechando y adaptando este tipo de cámaras. La segmentación de la secuencia de imágenes se realiza distinguiendo entre Lugares y Transiciones, poniendo especial énfasis en la detección de estas Transiciones ya que aportan una información muy útil e importante al mapa. Dentro de los Lugares se hace una clasificación más detallada entre pasillos y habitaciones de distintos tipos. Y dentro de las Transiciones distinguiremos entre puertas, jambas, escaleras y ascensores, que son los principales tipos de Transiciones que aparecen en escenarios de interior. Para la segmentación del espacio en estos tipos de áreas se han utilizado solo descriptores de imagen globales, en concreto Gist. La gran ventaja de usar este tipo de descriptores es la mayor eficiencia y compacidad frente al uso de descriptores locales. Además para mantener la consistencia espacio-temporal de la secuencia de imágenes, se hace uso de un modelo probabilístico: Modelo Oculto de Markov (HMM). A pesar de la simplicidad del método, los resultados muestran cómo es capaz de realizar una segmentación de la secuencia de imágenes en clusters con significado para las personas. Todos los experimentos se han llevado a cabo utilizando nuestro nuevo data set de imágenes omnidireccionales, capturado con una cámara montada en un casco, por lo que la secuencia sigue el movimiento de una persona durante su desplazamiento dentro de un edificio. El data set se encuentra público en Internet para que pueda ser utilizado en otras investigaciones

Long-term experiments with an adaptive spherical view representation for navigation in changing environments

Real-world environments such as houses and offices change over time, meaning that a mobile robot’s map will become out of date. In this work, we introduce a method to update the reference views in a hybrid metric-topological map so that a mobile robot can continue to localize itself in a changing environment. The updating mechanism, based on the multi-store model of human memory, incorporates a spherical metric representation of the observed visual features for each node in the map, which enables the robot to estimate its heading and navigate using multi-view geometry, as well as representing the local 3D geometry of the environment. A series of experiments demonstrate the persistence performance of the proposed system in real changing environments, including analysis of the long-term stability

Environmental modeling and recognition for an autonomous land vehicle

An architecture for object modeling and recognition for an autonomous land vehicle is presented. Examples of objects of interest include terrain features, fields, roads, horizon features, trees, etc. The architecture is organized around a set of data bases for generic object models and perceptual structures, temporary memory for the instantiation of object and relational hypotheses, and a long term memory for storing stable hypotheses that are affixed to the terrain representation. Multiple inference processes operate over these databases. Researchers describe these particular components: the perceptual structure database, the grouping processes that operate over this, schemas, and the long term terrain database. A processing example that matches predictions from the long term terrain model to imagery, extracts significant perceptual structures for consideration as potential landmarks, and extracts a relational structure to update the long term terrain database is given

Semantic Localization and Mapping in Robot Vision

Integration of human semantics plays an increasing role in robotics tasks such as mapping, localization and detection. Increased use of semantics serves multiple purposes, including giving computers the ability to process and present data containing human meaningful concepts, allowing computers to employ human reasoning to accomplish tasks. This dissertation presents three solutions which incorporate semantics onto visual data in order to address these problems. First, on the problem of constructing topological maps from sequence of images. The proposed solution includes a novel image similarity score which uses dynamic programming to match images using both appearance and relative positions of local features simultaneously. An MRF is constructed to model the probability of loop-closures and a locally optimal labeling is found using Loopy-BP. The recovered loop closures are then used to generate a topological map. Results are presented on four urban sequences and one indoor sequence. The second system uses video and annotated maps to solve localization. Data association is achieved through detection of object classes, annotated in prior maps, rather than through detection of visual features. To avoid the caveats of object recognition, a new representation of query images is introduced consisting of a vector of detection scores for each object class. Using soft object detections, hypotheses about pose are refined through particle filtering. Experiments include both small office spaces, and a large open urban rail station with semantically ambiguous places. This approach showcases a representation that is both robust and can exploit the plethora of existing prior maps for GPS-denied environments while avoiding the data association problems encountered when matching point clouds or visual features. Finally, a purely vision-based approach for constructing semantic maps given camera pose and simple object exemplar images. Object response heatmaps are combined with known pose to back-project detection information onto the world. These update the world model, integrating information over time as the camera moves. The approach avoids making hard decisions on object recognition, and aggregates evidence about objects in the world coordinate system. These solutions simultaneously showcase the contribution of semantics in robotics and provide state of the art solutions to these fundamental problems

A Hybrid Approach to Topological Mobile Robot Localization

We present a hybrid method for localizing a mobile robot in a complex environment. The method combines the use of multiresolution histograms with a signal strength analysis of existing wireless networks. We tested this localization procedure on the campus of Columbia University with our mobile robot, the Autonomous Vehicle for Exploration and Navigation of Urban Environments. Our results indicate that localization accuracy is significantly improved when five levels of resolution are used instead of one in color histogramming. We also find that incorporating wireless signal strengths into the method further improves reliability and helps to resolve ambiguities which arise when different regions have similar visual appearances

Cognitive visual tracking and camera control

Cognitive visual tracking is the process of observing and understanding the behaviour of a moving person. This paper presents an efficient solution to extract, in real-time, high-level information from an observed scene, and generate the most appropriate commands for a set of pan-tilt-zoom (PTZ) cameras in a surveillance scenario. Such a high-level feedback control loop, which is the main novelty of our work, will serve to reduce uncertainties in the observed scene and to maximize the amount of information extracted from it. It is implemented with a distributed camera system using SQL tables as virtual communication channels, and Situation Graph Trees for knowledge representation, inference and high-level camera control. A set of experiments in a surveillance scenario show the effectiveness of our approach and its potential for real applications of cognitive vision