On-Manifold Preintegration for Real-Time Visual-Inertial Odometry

Current approaches for visual-inertial odometry (VIO) are able to attain highly accurate state estimation via nonlinear optimization. However, real-time optimization quickly becomes infeasible as the trajectory grows over time, this problem is further emphasized by the fact that inertial measurements come at high rate, hence leading to fast growth of the number of variables in the optimization. In this paper, we address this issue by preintegrating inertial measurements between selected keyframes into single relative motion constraints. Our first contribution is a \emph{preintegration theory} that properly addresses the manifold structure of the rotation group. We formally discuss the generative measurement model as well as the nature of the rotation noise and derive the expression for the \emph{maximum a posteriori} state estimator. Our theoretical development enables the computation of all necessary Jacobians for the optimization and a-posteriori bias correction in analytic form. The second contribution is to show that the preintegrated IMU model can be seamlessly integrated into a visual-inertial pipeline under the unifying framework of factor graphs. This enables the application of incremental-smoothing algorithms and the use of a \emph{structureless} model for visual measurements, which avoids optimizing over the 3D points, further accelerating the computation. We perform an extensive evaluation of our monocular \VIO pipeline on real and simulated datasets. The results confirm that our modelling effort leads to accurate state estimation in real-time, outperforming state-of-the-art approaches.Comment: 20 pages, 24 figures, accepted for publication in IEEE Transactions on Robotics (TRO) 201

Applying Augmented Reality to Outdoors Industrial Use

Augmented Reality (AR) is currently gaining popularity in multiple different fields. However, the technology for AR still requires development in both hardware and software when considering industrial use. In order to create immersive AR applications, more accurate pose estimation techniques to define virtual camera location are required. The algorithms for pose estimation often require a lot of processing power, which makes robust pose estimation a difficult task when using mobile devices or designated AR tools. The difficulties are even larger in outdoor scenarios where the environment can vary a lot and is often unprepared for AR. This thesis aims to research different possibilities for creating AR applications for outdoor environments. Both hardware and software solutions are considered, but the focus is more on software. The majority of the thesis focuses on different visual pose estimation and tracking techniques for natural features. During the thesis, multiple different solutions were tested for outdoor AR. One commercial AR SDK was tested, and three different custom software solutions were developed for an Android tablet. The custom software solutions were an algorithm for combining data from magnetometer and a gyroscope, a natural feature tracker and a tracker based on panorama images. The tracker based on panorama images was implemented based on an existing scientific publication, and the presented tracker was further developed by integrating it to Unity 3D and adding a possibility for augmenting content. This thesis concludes that AR is very close to becoming a usable tool for professional use. The commercial solutions currently available are not yet ready for creating tools for professional use, but especially for different visualization tasks some custom solutions are capable of achieving a required robustness. The panorama tracker implemented in this thesis seems like a promising tool for robust pose estimation in unprepared outdoor environments.Lisätyn todellisuuden suosio on tällä hetkellä kasvamassa usealla eri alalla. Saatavilla olevat ohjelmistot sekä laitteet eivät vielä riitä lisätyn todellisuuden soveltamiseen ammattimaisessa käytössä. Erityisesti posen estimointi vaatii tarkempia menetelmiä, jotta immersiivisten lisätyn todellisuuden sovellusten kehittäminen olisi mahdollista. Posen estimointiin (laitteen asennon- sekä paikan arviointiin) käytetyt algoritmit ovat usein monimutkaisia, joten ne vaativat merkittävästi laskentatehoa. Laskentatehon vaatimukset ovat usein haasteellisia varsinkin mobiililaitteita sekä lisätyn todellisuuden laitteita käytettäessä. Lisäongelmia tuottaa myös ulkotilat, jossa ympäristö voi muuttua usein ja ympäristöä ei ole valmisteltu lisätyn todellisuuden sovelluksille. Diplomityön tarkoituksena on tutkia mahdollisuuksia lisätyn todellisuuden sovellusten kehittämiseen ulkotiloihin. Sekä laitteisto- että ohjelmistopohjaisia ratkaisuja käsitellään. Ohjelmistopohjaisia ratkaisuja käsitellään työssä laitteistopohjaisia ratkaisuja laajemmin. Suurin osa diplomityöstä keskittyy erilaisiin visuaalisiin posen estimointi tekniikoihin, jotka perustuvat kuvasta tunnistettujen luonnollisten piirteiden seurantaan. Työn aikana testattiin useita ratkaisuja ulkotiloihin soveltuvaan lisättyyn todellisuuteen. Yhtä kaupallista työkalua testattiin, jonka lisäksi toteutettiin kolme omaa sovellusta Android tableteille. Työn aikana kehitetyt sovellukset olivat yksinkertainen algoritmi gyroskoopin ja magnetometrin datan yhdistämiseen, luonnollisen piirteiden seuranta-algoritmi sekä panoraamakuvaan perustuva seuranta-algoritmi. Panoraamakuvaan perustuva seuranta-algoritmi on toteuteutettu toisen tieteellisen julkaisun pohjalta, ja algoritmia jatkokehitettiin integroimalla se Unity 3D:hen. Unity 3D-integrointi mahdollisti myös sisällön esittämisen lisätyn todellisuuden avulla. Työn lopputuloksena todetaan, että lisätyn todellisuuden teknologia on lähellä pistettä, jossa lisätyn todellisuuden työkaluja voitaisiin käyttää ammattimaisessa käytössä. Tällä hetkellä saatavilla olevat kaupalliset työkalut eivät vielä pääse ammattikäytön vaatimalle tasolle, mutta erityisesti visualisointitehtäviin soveltuvia ei-kaupallisia ratkaisuja on jo olemassa. Lisäksi työn aikana toteutetun panoraamakuviin perustuvan seuranta-algoritmin todetaan olevan lupaava työkalu posen estimointiin ulkotiloissa.Siirretty Doriast