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

Monocular Pose Estimation Based on Global and Local Features

The presented thesis work deals with several mathematical and practical aspects of the monocular pose estimation problem. Pose estimation means to estimate the position and orientation of a model object with respect to a camera used as a sensor element. Three main aspects of the pose estimation problem are considered. These are the model representations, correspondence search and pose computation. Free-form contours and surfaces are considered for the approaches presented in this work. The pose estimation problem and the global representation of free-form contours and surfaces are defined in the mathematical framework of the conformal geometric algebra (CGA), which allows a compact and linear modeling of the monocular pose estimation scenario. Additionally, a new local representation of these entities is presented which is also defined in CGA. Furthermore, it allows the extraction of local feature information of these models in 3D space and in the image plane. This local information is combined with the global contour information obtained from the global representations in order to improve the pose estimation algorithms. The main contribution of this work is the introduction of new variants of the iterative closest point (ICP) algorithm based on the combination of local and global features. Sets of compatible model and image features are obtained from the proposed local model representation of free-form contours. This allows to translate the correspondence search problem onto the image plane and to use the feature information to develop new correspondence search criteria. The structural ICP algorithm is defined as a variant of the classical ICP algorithm with additional model and image structural constraints. Initially, this new variant is applied to planar 3D free-form contours. Then, the feature extraction process is adapted to the case of free-form surfaces. This allows to define the correlation ICP algorithm for free-form surfaces. In this case, the minimal Euclidean distance criterion is replaced by a feature correlation measure. The addition of structural information in the search process results in better conditioned correspondences and therefore in a better computed pose. Furthermore, global information (position and orientation) is used in combination with the correlation ICP to simplify and improve the pre-alignment approaches for the monocular pose estimation. Finally, all the presented approaches are combined to handle the pose estimation of surfaces when partial occlusions are present in the image. Experiments made on synthetic and real data are presented to demonstrate the robustness and behavior of the new ICP variants in comparison with standard approaches

Indoor Scene Understanding using Non-Conventional Cameras

Los seres humanos comprendemos los entornos que nos rodean sin esfuerzo y bajo una amplia variedad de condiciones, lo cual es debido principalmente a nuestra percepción visual. Desarrollar algoritmos de Computer Vision que logren una comprensión visual similar es muy deseable, para permitir que las máquinas puedan realizar tareas complejas e interactuar con el mundo real, con el principal objectivo de ayudar y entretener a los seres humanos. En esta tesis, estamos especialmente interesados en los problemas que surgen durante la búsqueda de la comprensión visual de espacios interiores, ya que es dónde los seres humanos pasamos la mayor parte de nuestro tiempo, así como en la búsqueda del sensor más adecuado para logar dicha comprensión. Con respecto a los sensores, en este trabajo proponemos utilizar cámaras no convencionales, en concreto imágenes panorámicas y sensores 3D. Con respecto a la comprensión de interiores, nos centramos en tres aspectos clave: estimación del diseño 3D de la escena (distribución de paredes, techo y suelo); detección, localización y segmentación de objetos; y modelado de objetos por categoría, para los que se proporcionan soluciones novedosas y eficientes. El enfoque de la tesis se centra en los siguientes desafíos subyacentes. En primer lugar, investigamos métodos de reconstrucción 3D de habitaciones a partir de una única imagen de 360, utilizado para lograr el nivel más alto de modelado y comprensión de la escena. Para ello combinamos ideas tradicionales, como la asunción del mundo Manhattan por la cual la escena se puede definir en base a tres direcciones principales ortogonales entre si, con técnicas de aprendizaje profundo, que nos permiten estimar probabilidades en la imagen a nivel de pixel para detectar los elementos estructurales de la habitación. Los modelos propuestos nos permiten estimar correctamente incluso partes de la habitación no visibles en la imágen, logrando reconstrucciones fieles a la realidad y generalizando por tanto a modelos de escena más complejos. Al mismo tiempo, se proponen nuevos métodos para trabajar con imágenes panorámicas, destacando la propuesta de una convolución especial que deforma el kernel para compensar las distorsiones de la proyección equirrectangular propia de dichas imágenes.En segundo lugar, considerando la importancia del contexto para la comprensión de la escena, estudiamos el problema de la localización y segmentación de objetos, adaptando el problema para aprovechar todo el potencial de las imágenes de $360^\circ$. También aprovechamos la interacción escena-objetos para elevar las detecciones 2D en la imagen de los objetos al modelo 3D de la habitación.La última línea de trabajo de esta tesis se centra en el análisis de la forma de los objetos directamente en 3D, trabajando con nubes de puntos. Para ello proponemos utilizar un modelado explícito de la deformación de los objetos e incluir una noción de la simetría de estos para aprender, de manera no supervisada, puntos clave de la geometría de los objetos que sean representativos de los mismos. Dichos puntos estan en correspondencia, tanto geométrica como semántica, entre todos los objetos de una misma categoría.Nuestros modelos avanzan el estado del arte en las tareas antes mencionadas, siendo evaluados cada uno de ellos en varios datasets y en los benchmarks correspondientes.<br /

Learning Equivariant Representations

State-of-the-art deep learning systems often require large amounts of data and computation. For this reason, leveraging known or unknown structure of the data is paramount. Convolutional neural networks (CNNs) are successful examples of this principle, their defining characteristic being the shift-equivariance. By sliding a filter over the input, when the input shifts, the response shifts by the same amount, exploiting the structure of natural images where semantic content is independent of absolute pixel positions. This property is essential to the success of CNNs in audio, image and video recognition tasks. In this thesis, we extend equivariance to other kinds of transformations, such as rotation and scaling. We propose equivariant models for different transformations defined by groups of symmetries. The main contributions are (i) polar transformer networks, achieving equivariance to the group of similarities on the plane, (ii) equivariant multi-view networks, achieving equivariance to the group of symmetries of the icosahedron, (iii) spherical CNNs, achieving equivariance to the continuous 3D rotation group, (iv) cross-domain image embeddings, achieving equivariance to 3D rotations for 2D inputs, and (v) spin-weighted spherical CNNs, generalizing the spherical CNNs and achieving equivariance to 3D rotations for spherical vector fields. Applications include image classification, 3D shape classification and retrieval, panoramic image classification and segmentation, shape alignment and pose estimation. What these models have in common is that they leverage symmetries in the data to reduce sample and model complexity and improve generalization performance. The advantages are more significant on (but not limited to) challenging tasks where data is limited or input perturbations such as arbitrary rotations are present