3D Visual Perception for Self-Driving Cars using a Multi-Camera System: Calibration, Mapping, Localization, and Obstacle Detection

Cameras are a crucial exteroceptive sensor for self-driving cars as they are low-cost and small, provide appearance information about the environment, and work in various weather conditions. They can be used for multiple purposes such as visual navigation and obstacle detection. We can use a surround multi-camera system to cover the full 360-degree field-of-view around the car. In this way, we avoid blind spots which can otherwise lead to accidents. To minimize the number of cameras needed for surround perception, we utilize fisheye cameras. Consequently, standard vision pipelines for 3D mapping, visual localization, obstacle detection, etc. need to be adapted to take full advantage of the availability of multiple cameras rather than treat each camera individually. In addition, processing of fisheye images has to be supported. In this paper, we describe the camera calibration and subsequent processing pipeline for multi-fisheye-camera systems developed as part of the V-Charge project. This project seeks to enable automated valet parking for self-driving cars. Our pipeline is able to precisely calibrate multi-camera systems, build sparse 3D maps for visual navigation, visually localize the car with respect to these maps, generate accurate dense maps, as well as detect obstacles based on real-time depth map extraction

The Geometry and Usage of the Supplementary Fisheye Lenses in Smartphones

Nowadays, mobile phones are more than a device that can only satisfy the communication need between people. Since fisheye lenses integrated with mobile phones are lightweight and easy to use, they are advantageous. In addition to this advantage, it is experimented whether fisheye lens and mobile phone combination can be used in a photogrammetric way, and if so, what will be the result. Fisheye lens equipment used with mobile phones was tested in this study. For this, standard calibration of ‘Olloclip 3 in one’ fisheye lens used with iPhone 4S mobile phone and ‘Nikon FC‐E9’ fisheye lens used with Nikon Coolpix8700 are compared based on equidistant model. This experimental study shows that Olloclip 3 in one fisheye lens developed for mobile phones has at least the similar characteristics with classic fisheye lenses. The dimensions of fisheye lenses used with smart phones are getting smaller and the prices are reducing. Moreover, as verified in this study, the accuracy of fisheye lenses used in smartphones is better than conventional fisheye lenses. The use of smartphones with fisheye lenses will give the possibility of practical applications to ordinary users in the near future

Parking assistance for embedded platforms

ADAS 'Rear View Compact' is a system that aims to assist the driver in parking and reverse maneuvers, providing visual information space, objects around the vehicle, visual and audible warnings of possible collisions. The module that will be developed in this project is a subsystem that reliably and accurately detect a free parking space and displays the image of this parking space on the vehicle screen. This project will develop an algorithm from which the available parking space will be detected. The development of the system will be carried out with an embedded development platform based on Nvidia, a 'fisheye' lens camera and automotive hardware.Since the lens of the camera used in this project causes a great distortion in the image, different calibration methods will also be carried out to correct the distortion.ADAS 'Rear View Compact' és un sistema que té com a objectiu ajudar al conductor a les maniobres d'estacionament i de marxa enrere, proporcionant un espai d'informació visual, objectes al voltant del vehicle, avisos visuals i audibles de possibles col·lisions. El mòdul que es desenvoluparà en aquest projecte és un subsistema que de forma fiable i precisa detecta una plaça d'estacionament lliure i mostra la imatge d'aquest espai d'estacionament a la pantalla del vehicle. Aquest projecte desenvoluparà un algoritme a partir del qual es detecta la plaça d'aparcament disponible. El desenvolupament del sistema es durà a terme amb una plataforma de desenvolupament integrat basat en Nvidia, una càmera de lent 'fisheye' i amb maquinari d'automoció. Atès que la lent de la càmera utilitzada en aquest projecte causa una gran distorsió en la imatge, es duràn a terme diferents mètodes de calibratge per corregir la distorsió.ADAS 'Rear View Compact' es un sistema que tiene como objetivo ayudar al conductor en las maniobras de estacionamiento y de marcha atrás, proporcionando un espacio de información visual, objetos alrededor del vehículo, avisos visuales y audibles de posibles colisiones. El módulo que se desarrollará en este proyecto es un subsistema que de forma fiable y precisa detecta una plaza de estacionamiento libre y muestra la imagen de este espacio de estacionamiento en la pantalla del vehículo. Este proyecto desarrollará un algoritmo a partir del cual se detecta la plaza de aparcamiento disponible. El desarrollo del sistema se llevará a cabo con una plataforma de desarrollo integrado basado en Nvidia, una cámara de lente 'fisheye' y con hardware de automoción. Dado que la lente de la cámara utilizada en este proyecto causa una gran distorsión en la imagen, se llevarán a cabo diferentes métodos de calibración para corregir la distorsión

Near-field Perception for Low-Speed Vehicle Automation using Surround-view Fisheye Cameras

Cameras are the primary sensor in automated driving systems. They provide high information density and are optimal for detecting road infrastructure cues laid out for human vision. Surround-view camera systems typically comprise of four fisheye cameras with 190{\deg}+ field of view covering the entire 360{\deg} around the vehicle focused on near-field sensing. They are the principal sensors for low-speed, high accuracy, and close-range sensing applications, such as automated parking, traffic jam assistance, and low-speed emergency braking. In this work, we provide a detailed survey of such vision systems, setting up the survey in the context of an architecture that can be decomposed into four modular components namely Recognition, Reconstruction, Relocalization, and Reorganization. We jointly call this the 4R Architecture. We discuss how each component accomplishes a specific aspect and provide a positional argument that they can be synergized to form a complete perception system for low-speed automation. We support this argument by presenting results from previous works and by presenting architecture proposals for such a system. Qualitative results are presented in the video at https://youtu.be/ae8bCOF77uY.Comment: Accepted for publication at IEEE Transactions on Intelligent Transportation System

Image Processing Algorithms for Driver Assistance using Wide Angle Cameras

Modern vehicles are deployed with a large number of sensors in order to provide a rich spectrum of driver assistance functionality. These systems enhance security and comfort of passengers and other traffic participants alike, but they also pave the road to fully autonomous traffic. In order to provide this functionality robustly and reliably, one currently makes use of numerous specialized sensors: laser, radar, ultrasound, and infrared sensors, as well as different kinds of video cameras. The diversity of sensors comes with high cost and enables complex assistance functions momentarily only for upper-class vehicles. The current research, thus, focuses on the development of better algorithms that make similar systems possible on inexpensive sensors. This thesis examines the aptitude of a new camera system, which has recently grown popular in vehicles of most of the large automobile manufacturers, for all major video-based driver assistance functionality. This so-called Topview system consists of four wide angle cameras with a view angle of up to 200 degrees, usually mounted at the front bumper, the two side mirrors and the trunk lid. By these means, one is able to provide a view surrounding the entire vehicle. However, the single camera images are distorted which substantiates the need for adapted image processing algorithms

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multi-camera systems are being deployed in a variety of vehicles and mobile robots today. To eliminate the need for cost and labor intensive maintenance and calibration, continuous self-calibration is highly desirable. In this book we present such an approach for self-calibration of multi-Camera systems for vehicle surround sensing. In an extensive evaluation we assess our algorithm quantitatively using real-world data

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multikamerasysteme werden heute bereits in einer Vielzahl von Fahrzeugen und mobilen Robotern eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von einfachen Assistenzfunktionen wie der Erzeugung einer virtuellen Rundumsicht bis hin zur Umfelderfassung, wie sie für teil- und vollautomatisches Fahren benötigt wird. Damit aus den Kamerabildern metrische Größen wie Distanzen und Winkel abgeleitet werden können und ein konsistentes Umfeldmodell aufgebaut werden kann, muss das Abbildungsverhalten der einzelnen Kameras sowie deren relative Lage zueinander bekannt sein. Insbesondere die Bestimmung der relativen Lage der Kameras zueinander, die durch die extrinsische Kalibrierung beschrieben wird, ist aufwendig, da sie nur im Gesamtverbund erfolgen kann. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass es über die Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg zu nicht vernachlässigbaren Veränderungen durch äußere Einflüsse kommt. Um den hohen Zeit- und Kostenaufwand einer regelmäßigen Wartung zu vermeiden, ist ein Selbstkalibrierungsverfahren erforderlich, das die extrinsischen Kalibrierparameter fortlaufend nachschätzt. Für die Selbstkalibrierung wird typischerweise das Vorhandensein überlappender Sichtbereiche ausgenutzt, um die extrinsische Kalibrierung auf der Basis von Bildkorrespondenzen zu schätzen. Falls die Sichtbereiche mehrerer Kameras jedoch nicht überlappen, lassen sich die Kalibrierparameter auch aus den relativen Bewegungen ableiten, die die einzelnen Kameras beobachten. Die Bewegung typischer Straßenfahrzeuge lässt dabei jedoch nicht die Bestimmung aller Kalibrierparameter zu. Um die vollständige Schätzung der Parameter zu ermöglichen, lassen sich weitere Bedingungsgleichungen, die sich z.B. aus der Beobachtung der Bodenebene ergeben, einbinden. In dieser Arbeit wird dazu in einer theoretischen Analyse gezeigt, welche Parameter sich aus der Kombination verschiedener Bedingungsgleichungen eindeutig bestimmen lassen. Um das Umfeld eines Fahrzeugs vollständig erfassen zu können, werden typischerweise Objektive, wie zum Beispiel Fischaugenobjektive, eingesetzt, die einen sehr großen Bildwinkel ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung von Bildkorrespondenzen vorgeschlagen, das die geometrischen Verzerrungen, die sich durch die Verwendung von Fischaugenobjektiven und sich stark ändernden Ansichten ergeben, berücksichtigt. Darauf aufbauend stellen wir ein robustes Verfahren zur Nachführung der Parameter der Bodenebene vor. Basierend auf der theoretischen Analyse der Beobachtbarkeit und den vorgestellten Verfahren stellen wir ein robustes, rekursives Kalibrierverfahren vor, das auf einem erweiterten Kalman-Filter aufbaut. Das vorgestellte Kalibrierverfahren zeichnet sich insbesondere durch die geringe Anzahl von internen Parametern, sowie durch die hohe Flexibilität hinsichtlich der einbezogenen Bedingungsgleichungen aus und basiert einzig auf den Bilddaten des Multikamerasystems. In einer umfangreichen experimentellen Auswertung mit realen Daten vergleichen wir die Ergebnisse der auf unterschiedlichen Bedingungsgleichungen und Bewegungsmodellen basierenden Verfahren mit den aus einer Referenzkalibrierung bestimmten Parametern. Die besten Ergebnisse wurden dabei durch die Kombination aller vorgestellten Bedingungsgleichungen erzielt. Anhand mehrerer Beispiele zeigen wir, dass die erreichte Genauigkeit ausreichend für eine Vielzahl von Anwendungen ist

Multi-task near-field perception for autonomous driving using surround-view fisheye cameras

Die Bildung der Augen führte zum Urknall der Evolution. Die Dynamik änderte sich von einem primitiven Organismus, der auf den Kontakt mit der Nahrung wartete, zu einem Organismus, der durch visuelle Sensoren gesucht wurde. Das menschliche Auge ist eine der raffiniertesten Entwicklungen der Evolution, aber es hat immer noch Mängel. Der Mensch hat über Millionen von Jahren einen biologischen Wahrnehmungsalgorithmus entwickelt, der in der Lage ist, Autos zu fahren, Maschinen zu bedienen, Flugzeuge zu steuern und Schiffe zu navigieren. Die Automatisierung dieser Fähigkeiten für Computer ist entscheidend für verschiedene Anwendungen, darunter selbstfahrende Autos, Augmented Realität und architektonische Vermessung. Die visuelle Nahfeldwahrnehmung im Kontext von selbstfahrenden Autos kann die Umgebung in einem Bereich von 0 - 10 Metern und 360° Abdeckung um das Fahrzeug herum wahrnehmen. Sie ist eine entscheidende Entscheidungskomponente bei der Entwicklung eines sichereren automatisierten Fahrens. Jüngste Fortschritte im Bereich Computer Vision und Deep Learning in Verbindung mit hochwertigen Sensoren wie Kameras und LiDARs haben ausgereifte Lösungen für die visuelle Wahrnehmung hervorgebracht. Bisher stand die Fernfeldwahrnehmung im Vordergrund. Ein weiteres wichtiges Problem ist die begrenzte Rechenleistung, die für die Entwicklung von Echtzeit-Anwendungen zur Verfügung steht. Aufgrund dieses Engpasses kommt es häufig zu einem Kompromiss zwischen Leistung und Laufzeiteffizienz. Wir konzentrieren uns auf die folgenden Themen, um diese anzugehen: 1) Entwicklung von Nahfeld-Wahrnehmungsalgorithmen mit hoher Leistung und geringer Rechenkomplexität für verschiedene visuelle Wahrnehmungsaufgaben wie geometrische und semantische Aufgaben unter Verwendung von faltbaren neuronalen Netzen. 2) Verwendung von Multi-Task-Learning zur Überwindung von Rechenengpässen durch die gemeinsame Nutzung von initialen Faltungsschichten zwischen den Aufgaben und die Entwicklung von Optimierungsstrategien, die die Aufgaben ausbalancieren.The formation of eyes led to the big bang of evolution. The dynamics changed from a primitive organism waiting for the food to come into contact for eating food being sought after by visual sensors. The human eye is one of the most sophisticated developments of evolution, but it still has defects. Humans have evolved a biological perception algorithm capable of driving cars, operating machinery, piloting aircraft, and navigating ships over millions of years. Automating these capabilities for computers is critical for various applications, including self-driving cars, augmented reality, and architectural surveying. Near-field visual perception in the context of self-driving cars can perceive the environment in a range of 0 - 10 meters and 360° coverage around the vehicle. It is a critical decision-making component in the development of safer automated driving. Recent advances in computer vision and deep learning, in conjunction with high-quality sensors such as cameras and LiDARs, have fueled mature visual perception solutions. Until now, far-field perception has been the primary focus. Another significant issue is the limited processing power available for developing real-time applications. Because of this bottleneck, there is frequently a trade-off between performance and run-time efficiency. We concentrate on the following issues in order to address them: 1) Developing near-field perception algorithms with high performance and low computational complexity for various visual perception tasks such as geometric and semantic tasks using convolutional neural networks. 2) Using Multi-Task Learning to overcome computational bottlenecks by sharing initial convolutional layers between tasks and developing optimization strategies that balance tasks