Automated Computation of the Fundamental Matrix for Vision-Based Construction Site Applications

Estimating the fundamental matrix (F), to determine the epipolar geometry between a pair of images or video frames, is a basic step for a wide variety of vision-based functions used in construction operations, such as camera-pair calibration, automatic progress monitoring, and 3D reconstruction. Currently, robust methods (e.g., SIFT + normalized eight-point algorithm + RANSAC) are widely used in the construction community for this purpose. Although they can provide acceptable accuracy, the significant amount of required computational time impedes their adoption in real-time applications, especially video data analysis with many frames per second. Aiming to overcome this limitation, this paper presents and evaluates the accuracy of a solution to find F by combining the use of two speedy and consistent methods: SURF for the selection of a robust set of point correspondences and the normalized eight-point algorithm. This solution is tested extensively on construction site image pairs including changes in viewpoint, scale, illumination, rotation, and moving objects. The results demonstrate that this method can be used for real-time applications (5 image pairs per second with the resolution of 640 × 480) involving scenes of the built environment.

Automated 3D Vision Tracking for Project Control Support

On-site tracking in open construction sites is often difficult because of the large amounts of items that are present and need to be tracked. Additionally, the amounts of occlusions/obstructions present create a highly complex tracking environment. Existing tracking methods are based mainly on Radio Frequency technologies, including Global Positioning Systems (GPS), Radio Frequency Identification (RFID), Bluetooth and Wireless Fidelity (Wi-Fi, Ultra-Wideband, etc). These methods require considerable amounts of pre-processing time since they need to manually deploy tags and keep record of the items they are placed on. In construction sites with numerous entities, tags installation, maintenance and decommissioning become an issue since it increases the cost and time needed to implement these tracking methods. This paper presents a novel method for open site tracking with construction cameras based on machine vision. According to this method, video feed is collected from on site video cameras, and the user selects the entity he wishes to track. The entity is tracked in each video using 2D vision tracking. Epipolar geometry is then used to calculate the depth of the marked area to provide the 3D location of the entity. This method addresses the limitations of radio frequency methods by being unobtrusive and using inexpensive, and easy to deploy equipment. The method has been implemented in a C++ prototype and preliminary results indicate its effectiveness

Correlating Multiple 2D Vision Trackers for 3D Object Tracking on Construction Sites

Tracking methods have the potential to retrieve the spatial location of project related entities such as personnel and equipment at construction sites, which can facilitate several construction management tasks. Existing tracking methods are mainly based on Radio Frequency (RF) technologies and thus require manual deployment of tags. On construction sites with numerous entities, tags installation, maintenance and decommissioning become an issue since it increases the cost and time needed to implement these tracking methods. To address these limitations, this paper proposes an alternate 3D tracking method based on vision. It operates by tracking the designated object in 2D video frames and correlating the tracking results from multiple pre-calibrated views using epipolar geometry. The methodology presented in this paper has been implemented and tested on videos taken in controlled experimental conditions. Results are compared with the actual 3D positions to validate its performance.

一种基于三焦点张量的度量重建方法

从二维图像恢复物体的三维结构是计算视觉的一个重要研究方向。通过研究三视图之间的对极几何,提出了一种基于三线性关系的度量重建方法。不需要对相机的运动或者景物结构施加任何约束,使用直接重建方法,利用三焦点张量恢复场景的度量重构。仿真实验和真实图像实验表明,该度量重建方法具有很高的准确性和实用性。

基于LQS的基本矩阵计算方法

基本矩阵作为分析两视图对极几何的有力工具,在视觉领域中占用重要的地位。分析了传统鲁棒方法在基本矩阵的求解问题中存在的不足,引入了稳健回归分析中的LQS方法,并结合Bucket分割技术,提出一种鲁棒估计基本矩阵的新方法,克服了RANSAC方法和LMedS方法的缺陷。模拟数据和真实图像实验结果表明,本文方法具有更高的鲁棒性和精确度。

Algebraic Functions For Recognition

In the general case, a trilinear relationship between three perspective views is shown to exist. The trilinearity result is shown to be of much practical use in visual recognition by alignment --- yielding a direct method that cuts through the computations of camera transformation, scene structure and epipolar geometry. The proof of the central result may be of further interest as it demonstrates certain regularities across homographies of the plane and introduces new view invariants. Experiments on simulated and real image data were conducted, including a comparative analysis with epipolar intersection and the linear combination methods, with results indicating a greater degree of robustness in practice and a higher level of performance in re-projection tasks.

Calibration de systèmes de caméras et projecteurs dans des applications de création multimédia

Ce mémoire s'intéresse à la vision par ordinateur appliquée à des projets d'art technologique. Le sujet traité est la calibration de systèmes de caméras et de projecteurs dans des applications de suivi et de reconstruction 3D en arts visuels et en art performatif. Le mémoire s'articule autour de deux collaborations avec les artistes québécois Daniel Danis et Nicolas Reeves. La géométrie projective et les méthodes de calibration classiques telles que la calibration planaire et la calibration par géométrie épipolaire sont présentées pour introduire les techniques utilisées dans ces deux projets. La collaboration avec Nicolas Reeves consiste à calibrer un système caméra-projecteur sur tête robotisée pour projeter des vidéos en temps réel sur des écrans cubiques mobiles. En plus d'appliquer des méthodes de calibration classiques, nous proposons une nouvelle technique de calibration de la pose d'une caméra sur tête robotisée. Cette technique utilise des plans elliptiques générés par l'observation d'un seul point dans le monde pour déterminer la pose de la caméra par rapport au centre de rotation de la tête robotisée. Le projet avec le metteur en scène Daniel Danis aborde les techniques de calibration de systèmes multi-caméras. Pour son projet de théâtre, nous avons développé un algorithme de calibration d'un réseau de caméras wiimotes. Cette technique basée sur la géométrie épipolaire permet de faire de la reconstruction 3D d'une trajectoire dans un grand volume à un coût minime. Les résultats des techniques de calibration développées sont présentés, de même que leur utilisation dans des contextes réels de performance devant public.

Personalized 3D reconstruction of the rib cage for clinical assessment of trunk deformities

Scoliosis is a 3D deformity of the spine and rib cage. Extensive validation of 3D reconstruction methods of the spine from biplanar radiography has already been published. In this article, we propose a novel method to reconstruct the rib cage, using the same biplanar views as for the 3D reconstruction of the spine, to allow clinical assessment of whole trunk deformities. This technique uses a semi-automatic segmentation of the ribs in the postero-anterior X-ray view and an interactive segmentation of partial rib edges in the lateral view. The rib midlines are automatically extracted in 2D and reconstructed in 3D using the epipolar geometry. For the ribs not visible in the lateral view, the method predicts their 3D shape. The accuracy of the proposed method has been assessed using data obtained from a synthetic bone model as a gold standard and has also been evaluated using data of real patients with scoliotic deformities. Results show that the reconstructed ribs enable a reliable evaluation of the rib axial rotation, which will allow a 3D clinical assessment of the spine and rib cage deformities.

A survey addressing the fundamental matrix estimation problem

Epipolar geometry is a key point in computer vision and the fundamental matrix estimation is the only way to compute it. This article surveys several methods of fundamental matrix estimation which have been classified into linear methods, iterative methods and robust methods. All of these methods have been programmed and their accuracy analysed using real images. A summary, accompanied with experimental results, is given

An approach to coded structured light to obtain three dimensional information

The human visual ability to perceive depth looks like a puzzle. We perceive three-dimensional spatial information quickly and efficiently by using the binocular stereopsis of our eyes and, what is mote important the learning of the most common objects which we achieved through living. Nowadays, modelling the behaviour of our brain is a fiction, that is why the huge problem of 3D perception and further, interpretation is split into a sequence of easier problems. A lot of research is involved in robot vision in order to obtain 3D information of the surrounded scene. Most of this research is based on modelling the stereopsis of humans by using two cameras as if they were two eyes. This method is known as stereo vision and has been widely studied in the past and is being studied at present, and a lot of work will be surely done in the future. This fact allows us to affirm that this topic is one of the most interesting ones in computer vision. The stereo vision principle is based on obtaining the three dimensional position of an object point from the position of its projective points in both camera image planes. However, before inferring 3D information, the mathematical models of both cameras have to be known. This step is known as camera calibration and is broadly describes in the thesis. Perhaps the most important problem in stereo vision is the determination of the pair of homologue points in the two images, known as the correspondence problem, and it is also one of the most difficult problems to be solved which is currently investigated by a lot of researchers. The epipolar geometry allows us to reduce the correspondence problem. An approach to the epipolar geometry is describes in the thesis. Nevertheless, it does not solve it at all as a lot of considerations have to be taken into account. As an example we have to consider points without correspondence due to a surface occlusion or simply due to a projection out of the camera scope. The interest of the thesis is focused on structured light which has been considered as one of the most frequently used techniques in order to reduce the problems related lo stereo vision. Structured light is based on the relationship between a projected light pattern its projection and an image sensor. The deformations between the pattern projected into the scene and the one captured by the camera, permits to obtain three dimensional information of the illuminated scene. This technique has been widely used in such applications as: 3D object reconstruction, robot navigation, quality control, and so on. Although the projection of regular patterns solve the problem of points without match, it does not solve the problem of multiple matching, which leads us to use hard computing algorithms in order to search the correct matches. In recent years, another structured light technique has increased in importance. This technique is based on the codification of the light projected on the scene in order to be used as a tool to obtain an unique match. Each token of light is imaged by the camera, we have to read the label (decode the pattern) in order to solve the correspondence problem. The advantages and disadvantages of stereo vision against structured light and a survey on coded structured light are related and discussed. The work carried out in the frame of this thesis has permitted to present a new coded structured light pattern which solves the correspondence problem uniquely and robust. Unique, as each token of light is coded by a different word which removes the problem of multiple matching. Robust, since the pattern has been coded using the position of each token of light with respect to both co-ordinate axis. Algorithms and experimental results are included in the thesis. The reader can see examples 3D measurement of static objects, and the more complicated measurement of moving objects. The technique can be used in both cases as the pattern is coded by a single projection shot. Then it can be used in several applications of robot vision. Our interest is focused on the mathematical study of the camera and pattern projector models. We are also interested in how these models can be obtained by calibration, and how they can be used to obtained three dimensional information from two correspondence points. Furthermore, we have studied structured light and coded structured light, and we have presented a new coded structured light pattern. However, in this thesis we started from the assumption that the correspondence points could be well-segmented from the captured image. Computer vision constitutes a huge problem and a lot of work is being done at all levels of human vision modelling, starting from a)image acquisition; b) further image enhancement, filtering and processing, c) image segmentation which involves thresholding, thinning, contour detection, texture and colour analysis, and so on. The interest of this thesis starts in the next step, usually known as depth perception or 3D measurement.

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

3D reconstruction through photographs

Humans can perceive three dimension, our world is three dimensional and it is becoming increasingly digital too. We have the need to capture and preserve our existence in digital means perhaps due to our own mortality. We have also the need to reproduce objects or create small identical objects to prototype, test or study them. Some objects have been lost through time and are only accessible through old photographs. With robust model generation from photographs we can use one of the biggest human data sets and reproduce real world objects digitally and physically with printers. What is the current state of development in three dimensional reconstruction through photographs both in the commercial world and in the open source world? And what tools are available for a developer to build his own reconstruction software? To answer these questions several pieces of software were tested, from full commercial software packages to open source small projects, including libraries aimed at computer vision. To bring to the real world the 3D models a 3D printer was built, tested and analyzed, its problems and weaknesses evaluated. Lastly using a computer vision library a small software with limited capabilities was developed.

Concept of Matching Parallelepiped and its use in the correspondence problem

In this paper, the concept of Matching Parallelepiped (MP) is presented. It is shown that the volume of the MP can be used as an additional measure of `distance' between a pair of candidate points in a matching algorithm by Relaxation Labeling (RL). The volume of the MP is related with the Epipolar Geometry and the use of this measure works as an epipolar constraint in a RL process, decreasing the efforts in the matching algorithm since it is not necessary to explicitly determine the equations of the epipolar lines and to compute the distance of a candidate point to each epipolar line. As at the beginning of the process the Relative Orientation (RO) parameters are unknown, a initial matching based on gradient, intensities and correlation is obtained. Based on this set of labeled points the RO is determined and the epipolar constraint included in the algorithm. The obtained results shown that the proposed approach is suitable to determine feature-point matching with simultaneous estimation of camera orientation parameters even for the cases where the pair of optical axes are not parallel.

Dense disparity map estimation respecting image discontinuities

[EN] We present an energy based approach to estimate a dense disparity map from a set of two weakly calibrated stereoscopic images while preserving its discontinuities resulting from image boundaries. We first derive a simplified expression for the disparity that allows us to estimate it from a stereo pair of images using an energy minimization approach. We assume that the epipolar geometry is known, and we include this information in the energy model. Discontinuities are preserved by means of a regularization term based on the Nagel-Enkelmann operator. We investigate the associated Euler-Lagrange equation of the energy functional, and we approach the solution of the underlying partial differential equation (PDE) using a gradient descent method The resulting parabolic problem has a unique solution. In order to reduce the risk to be trapped within some irrelevant local minima during the iterations, we use a focusing strategy based on a linear scalespace. Experimental results on both synthetic and real images arere presented to illustrate the capabilities of this PDE and scale-space based method.

Interactive Augmentation of Live Images using a HDR Stereo Camera

Adding virtual objects to real environments plays an important role in todays computer graphics: Typical examples are virtual furniture in a real room and virtual characters in real movies. For a believable appearance, consistent lighting of the virtual objects is required. We present an augmented reality system that displays virtual objects with consistent illumination and shadows in the image of a simple webcam. We use two high dynamic range video cameras with fisheye lenses permanently recording the environment illumination. A sampling algorithm selects a few bright parts in one of the wide angle images and the corresponding points in the second camera image. The 3D position can then be calculated using epipolar geometry. Finally, the selected point lights are used in a multi pass algorithm to draw the virtual object with shadows. To validate our approach, we compare the appearance and shadows of the synthetic objects with real objects.