A modular hybrid SLAM for the 3D mapping of large scale environments

Underground mining environments pose many unique challenges to the task of creating extensive, survey quality 3D maps. The extreme characteristics of such environments require a modular mapping solution which has no dependency on Global Positioning Systems (GPS), physical odometry, a priori information or motion model simplification. These restrictions rule out many existing 3D mapping approaches. This work examines a hybrid approach to mapping, fusing omnidirectional vision and 3D range data to produce an automatically registered, accurate and dense 3D map. A series of discrete 3D laser scans are registered through a combination of vision based bearing-only localization and scan matching with the Iterative Closest Point (ICP) algorithm. Depth information provided by the laser scans is used to correctly scale the bearing-only feature map, which in turn supplies an initial pose estimate for a registration algorithm to build the 3D map and correct localization drift. The resulting extensive maps require no external instrumentation or a priori information. Preliminary testing demonstrated the ability of the hybrid system to produce a highly accurate 3D map of an extensive indoor space

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

A dataset of annotated omnidirectional videos for distancing applications

Omnidirectional (or 360◦ ) cameras are acquisition devices that, in the next few years, could have a big impact on video surveillance applications, research, and industry, as they can record a spherical view of a whole environment from every perspective. This paper presents two new contributions to the research community: the CVIP360 dataset, an annotated dataset of 360◦ videos for distancing applications, and a new method to estimate the distances of objects in a scene from a single 360◦ image. The CVIP360 dataset includes 16 videos acquired outdoors and indoors, annotated by adding information about the pedestrians in the scene (bounding boxes) and the distances to the camera of some points in the 3D world by using markers at fixed and known intervals. The proposed distance estimation algorithm is based on geometry facts regarding the acquisition process of the omnidirectional device, and is uncalibrated in practice: the only required parameter is the camera height. The proposed algorithm was tested on the CVIP360 dataset, and empirical results demonstrate that the estimation error is negligible for distancing applications

A driverless vehicle demonstration on motorways and in urban environments

International audienceThe constant growth of the number of vehicles in today's world demands improvements in the safety and efficiency of roads and road use. This can be in part satisfied by the implementation of autonomous driving systems because of their greater precision than human drivers in controlling a vehicle. As result, the capacity of the roads would be increased by reducing the spacing between vehicles. Moreover, greener driving modes could be applied so that the fuel consumption, and therefore carbon emissions, would be reduced. This paper presents the results obtained by the AUTOPIA program during a public demonstration performed in June 2012. This driverless experiment consisted of a 100-kilometre route around Madrid (Spain), including both urban and motorway environments. A first vehicle – acting as leader and manually driven – transmitted its relevant information – i.e., position and speed – through an 802.11p communication link to a second vehicle, which tracked the leader's trajectory and speed while maintaining a safe distance. The results were encouraging, and showed the viability of the AUTOPIA approach

Visual SLAM and scale estimation from omnidirectional wearable vision

La resolución del problema de Localización y Mapeado Simultáneos (SLAM) con sistemas de visión permite reconstruir un mapa del entorno a partir de medidas extraídas de imágenes y, al mismo tiempo, estimar la trayectoria u odometría visual de la cámara. En los último años el SLAM visual ha sido uno de los problemas más tratados en el campo de la visión por computador y ha sido abordado tanto con sistemas estéreo como monoculares. Los sistemas estéreo tienen la característica de que conocida la distancia entre las cámaras se pueden triangular los puntos observados y por lo tanto, es posible obtener una estimación tridimensional completa de la posición de los mismos. Por el contrario, los sistemas monoculares, al no poderse medir la profundidad a partir de una sola imagen, permiten solamente una reconstrucción tridimensional con una ambigüedad en la escala. Además, como es frecuente en la resolución del problema de SLAM, el uso de filtros probabilísticos que procesan las imágenes de forma secuencial, da lugar a otro problema más alla de una ambigüedad de escala. Se trata de la existencia de una deriva en la escala que hace que esta no sea constate durante en toda la reconstrucción, y que da lugar a una deformación gradual en la reconstrucción final a medida que el mapa crece. Dado el interés en el uso de dichos sensores por su bajo coste, su universalidad y su facilidad de calibración existen varios trabajos que proponen resolver dicho problema; bien utilizando otros sensores de bajo coste como IMUs, o sensores de odometría disponibles en los vehículos con ruedas; bien sin necesidad de sensores adicionales a partir de algún tipo de medida conocida a priori como la distancia de la cámara al suelo o al eje de rotación del vehículo. De entre los trabajos mencionados, la mayoría se centran en cámaras acopladas a vehículos con ruedas. Las técnicas descritas en los mismos son dificilmente aplicables a una cámara llevada por una persona, debido en primer lugar a la imposibilidad de obtener medidas de odometría, y en segundo lugar, por el modelo más complejo de movimiento. En este TFM se recoge y se amplia el trabajo presentado en el artículo ``Full Scaled 3D Visual Odometry From a Single Wearable Omnidirectional Camera'' enviado y aceptado para su publicación en el próximo ``IEEE International Conference on Intelligent Robots and Sytems (IROS)''. En él se presenta un algoritmo para estimar la escala real de la odometría visual de una persona a partir de la estimación SLAM obtenida con una cámara omnidireccional catadióptrica portable y sin necesidad de usar sensores adicionales. La información a priori para la estimación en la escala viene dada por una ley empírica que relaciona directamente la velocidad al caminar con la frecuencia de paso o, dicho de otra forma equivalente, define la longitud de zancada como una función de la frecuencia de paso. Dicha ley está justificada en una tendencia de la persona a elegir una frecuencia de paso que minimiza el coste metabólico para una velocidad dada. La trayectoria obtenida por SLAM se divide en secciones, calculándose un factor de escala en cada sección. Para estimar dicho factor de escala, en primer lugar se estima la frecuencia de paso mediante análisis espectral de la señal correspondiente a la componente $z$ de los estados de la cámara de la sección actual. En segundo lugar se calcula la velocidad de paso mediante la relación empírica descrita anteriormente. Esta medida de velocidad real, así como el promedio de la velocidad absoluta de los estados contenidos en la sección, se incluyen dentro de un filtro de partículas para el cálculo final del factor de escala. Dicho factor de escala se aplica a la correspondiente sección mediante una fórmula recursiva que asegura la continuidad en posición y velocidad. Sobre este algoritmo básico se han introducido mejoras para disminuir el retraso entre la actualización de secciones de la trayectoria, así como para ser capaces de descartar medidas erróneas de la frecuencia de paso y detectar zonas o situaciones, como la presencia de escaleras, donde el modelo empírico utilizado para estimar la velocidad de paso no sería aplicable. Además, dado que inicialmente se implementó el algoritmo en MATLAB, aplicándose offline a la estimación de trayectoria completa desde la aplicación SLAM, se ha realizado también su implementación en C++ como un módulo dentro de esta aplicación para trabajar en tiempo real conjuntamente con el algoritmo de SLAM principal. Los experimentos se han llevado a cabo con secuencias tomadas tanto en exteriores como en interiores dentro del Campus Río Ebro de la Universida dde Zaragoza. En ellos se compara la estimación de la trayectoria a escala real obtenida mediante nuestro método con el Ground Truth obtenido de las imágenes por satélite de Google Maps. Los resultados de los experimentos muestran que se llega a alcanzar un error medio de hasta menos de 2 metros a lo largo de recorridos de 232 metros. Además se aprecia como es capaz de corregir una deriva de escala considerable en la estimación inicial de la trayectoria sin escalar. El trabajo realizado en el presente TFM utiliza el realizado durante mi Proyecto de Fin de Carrera, "Localización por Visión Omnidireccional para Asistencia Personal", con una beca de Iniciación a la Investigación del I3A y defendido en septiembre de 2011. En dicho proyecto se adaptó una completa aplicación C++ de SLAM en tiempo real con cámaras convencionales para ser usada con cámaras omnidireccionales de tipo catadióptrico. Para ello se realizaron modificaciones sobre dos aspectos básicos: el modelo de proyección y las transformaciones aplicadas a los descriptores de los puntos característicos. Fruto de ese trabajo se realizó una publicación, "Adapting a Real-Time Monocular Visual SLAM from Conventional to Omnidirectional Cameras" en el ``11th OMNIVIS'' celebrado dentro del ICCV 2011

FSD-BRIEF: a distorted BRIEF descriptor for fisheye image based on spherical perspective model

Fisheye images with a far larger Field of View (FOV) have severe radial distortion, with the result that the associated image feature matching process cannot achieve the best performance if the traditional feature descriptors are used. To address this challenge, this paper reports a novel distorted Binary Robust Independent Elementary Feature (BRIEF) descriptor for fisheye images based on a spherical perspective model. Firstly, the 3D gray centroid of feature points is designed, and the position and direction of the feature points on the spherical image are described by a constructed feature point attitude matrix. Then, based on the attitude matrix of feature points, the coordinate mapping relationship between the BRIEF descriptor template and the fisheye image is established to realize the computation associated with the distorted BRIEF descriptor. Four experiments are provided to test and verify the invariance and matching performance of the proposed descriptor for a fisheye image. The experimental results show that the proposed descriptor works well for distortion invariance and can significantly improve the matching performance in fisheye images