Universidad de Zaragoza, Prensas de la Universidad
Abstract
Para que un computador sea capaz de entender la geometría 3D de su entorno, necesitamos derivar las relaciones geométricas entre las imágenes 2D y el mundo 3D.La geometría de múltiples vistas es el área de investigación que estudia este problema.La mayor parte de métodos existentes resuelve pequeñas partes de este gran problema minimizando una determinada función objetivo.Estas funciones normalmente se componen de errores algebraicos o geométricos que representan las desviaciones con respecto al modelo de observación.En resumen, en general tratamos de recuperar la estructura 3D del mundo y el movimiento de la cámara encontrando el modelo que minimiza la discrepancia con respecto a las observaciones.El enfoque de esta tesis se centra principalmente en dos aspectos de los problemas de reconstrucción multivista:los criterios de error y la robustez.Primero, estudiamos los criterios de error usados en varios problemas geométricos y nos preguntamos`¿Por qué optimizamos lo que optimizamos?'Específicamente, analizamos sus pros y sus contras y proponemos métodos novedosos que combinan los criterios existentes o adoptan una mejor alternativa.En segundo lugar, tratamos de alcanzar el estado del arte en robustez frente a valores atípicos y escenarios desafiantes, que a menudo se encuentran en la práctica.Para ello, proponemos múltiples ideas novedosas que pueden ser incorporadas en los métodos basados en optimización.Específicamente, estudiamos los siguientes problemas: SLAM monocular, triangulación a partir de dos y de múltiples vistas, promedio de rotaciones únicas y múltiples, ajuste de haces únicamente con rotaciones de cámara, promedio robusto de números y evaluación cuantitativa de estimación de trayectoria.Para SLAM monocular, proponemos un enfoque híbrido novedoso que combina las fortalezas de los métodos directos y los basados en características.Los métodos directos minimizan los errores fotométricos entre los píxeles correspondientes en varias imágenes, mientras que los métodos basados en características minimizan los errores de reproyección.Nuestro método combina de manera débilmente acoplada la odometría directa y el SLAM basado en características, y demostramos que mejora la robustez en escenarios desafiantes, así como la precisión cuando el movimiento de la cámara realiza frecuentes revisitas.Para la triangulación de dos vistas, proponemos métodos óptimos que minimizan los errores de reproyección angular en forma cerrada.Dado que el error angular es rotacionalmente invariante, estos métodos se pueden utilizar para cámaras perspectivas, lentes de ojo de pez u omnidireccionales.Además, son mucho más rápidos que los métodos óptimos existentes en la literatura.Otro método de triangulación de dos vistas que proponemos adopta un enfoque completamente diferente:Modificamos ligeramente el método clásico del punto medio y demostramos que proporciona un equilibrio superior de precisión 2D y 3D, aunque no es óptimo.Para la triangulación multivista, proponemos un método robusto y eficiente utilizando RANSAC de dos vistas.Presentamos varios criterios de finalización temprana para RANSAC de dos vistas utilizando el método de punto medio y mostramos que mejora la eficiencia cuando la proporción de medidas espúreas es alta.Además, mostramos que la incertidumbre de un punto triangulado se puede modelar en función de tres factores: el número de cámaras, el error medio de reproyección y el ángulo de paralaje máximo.Al aprender este modelo, la incertidumbre se puede interpolar para cada caso.Para promediar una sola rotación, proponemos un método robusto basado en el algoritmo de Weiszfeld.La idea principal es comenzar con una inicialización robusta y realizar un esquema de rechazo de valores espúreos implícito dentro del algoritmo de Weiszfeld para aumentar aún más la robustez.Además, usamos una aproximación de la mediana cordal en SO(3) que proporciona una aceleración significativa del método. Para promediar rotaciones múltiples proponemos HARA, un enfoque novedoso que inicializa de manera incremental el grafo de rotaciones basado en una jerarquía de compatibilidad con tripletas.Esencialmente, construimos un árbol de expansión priorizando los enlaces con muchos soportes triples fuertes y agregando gradualmente aquellos con menos soportes y más débiles.Como resultado, reducimos el riesgo de agregar valores atípicos en la solución inicial, lo que nos permite filtrar los valores atípicos antes de la optimización no lineal.Además, mostramos que podemos mejorar los resultados usando la función suavizada L0+ en el paso de refinamiento local.A continuación, proponemos el ajuste de haces únicamente con rotaciones, un método novedoso para estimar las rotaciones absolutas de múltiples vistas independientemente de las traslaciones y la estructura de la escena.La clave es minimizar una función de coste especialmente diseñada basada en el error epipolar normalizado, que está estrechamente relacionado con el error de reproyección angular óptimo L1 entre otras cantidades geométricas.Nuestro enfoque brinda múltiples beneficios, como inmunidad total a translaciones y triangulaciones imprecisas, robustez frente a rotaciones puras y escenas planas, y la mejora de la precisión cuando se usa tras el promedio de promedio de rotaciones explicado anteriormente.También proponemos RODIAN, un método robusto para promediar un conjunto de números contaminados por una gran proporción de valores atípicos.En nuestro método, asumimos que los valores atípicos se distribuyen uniformemente dentro del rango de los datos y buscamos la región que es menos probable que contenga solo valores atípicos.Luego tomamos la mediana de los datos dentro de esta región.Nuestro método es rápido, robusto y determinista, y no se basa en un límite de error interno conocido.Finalmente, para la evaluación cuantitativa de la trayectoria, señalamos la debilidad del Error de Trayectoria Absoluta (ATE) comúnmente utilizado y proponemos una alternativa novedosa llamada Error de Trayectoria Discernible (DTE).En presencia de solo unos pocos valores espúreos, el ATE pierde su sensibilidad respecto al error de trayectoria de los valores típicos y respecto al número de datos atípicos o espúreos.El DTE supera esta debilidad al alinear la trayectoria estimada con la verdadera (ground truth) utilizando un método robusto basado en varios tipos diferentes de medianas.Usando ideas similares, también proponemos una métrica de solo rotación, llamada Error de Rotación Discernible (DRE).Además, proponemos un método simple para calibrar la rotación de cámara a marcador, que es un requisito previo para el cálculo de DTE y DRE.<br /
