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.

Texture recognition under varying imaging geometries

La visió és probablement el nostre sentit més dominant a partir del qual derivem la majoria d'informació del món que ens envolta. A través de la visió podem percebre com són les coses, on són i com es mouen. En les imatges que percebem amb el nostre sistema de visió podem extreure'n característiques com el color, la textura i la forma, i gràcies a aquesta informació som capaços de reconèixer objectes fins i tot quan s'observen sota unes condicions totalment diferents. Per exemple, som capaços de distingir un mateix objecte si l'observem des de diferents punts de vista, distància, condicions d'il·luminació, etc. La Visió per Computador intenta emular el sistema de visió humà mitjançant un sistema de captura d'imatges, un ordinador, i un conjunt de programes. L'objectiu desitjat no és altre que desenvolupar un sistema que pugui entendre una imatge d'una manera similar com ho realitzaria una persona. Aquesta tesi es centra en l'anàlisi de la textura per tal de realitzar el reconeixement de superfícies. La motivació principal és resoldre el problema de la classificació de superfícies texturades quan han estat capturades sota diferents condicions, com ara distància de la càmera o direcció de la il·luminació. D'aquesta forma s'aconsegueix reduir els errors de classificació provocats per aquests canvis en les condicions de captura. En aquest treball es presenta detalladament un sistema de reconeixement de textures que ens permet classificar imatges de diferents superfícies capturades en diferents condicions. El sistema proposat es basa en un model 3D de la superfície (que inclou informació de color i forma) obtingut mitjançant la tècnica coneguda com a 4-Source Colour Photometric Stereo (CPS). Aquesta informació és utilitzada posteriorment per un mètode de predicció de textures amb l'objectiu de generar noves imatges 2D de les textures sota unes noves condicions. Aquestes imatges virtuals que es generen seran la base del nostre sistema de reconeixement, ja que seran utilitzades com a models de referència per al nostre classificador de textures. El sistema de reconeixement proposat combina les Matrius de Co-ocurrència per a l'extracció de característiques de textura, amb la utilització del Classificador del veí més proper. Aquest classificador ens permet al mateix temps aproximar la direcció d'il·luminació present en les imatges que s'utilitzen per testejar el sistema de reconeixement. És a dir, serem capaços de predir l'angle d'il·luminació sota el qual han estat capturades les imatges de test. Els resultats obtinguts en els diferents experiments que s'han realitzat demostren la viabilitat del sistema de predicció de textures, així com del sistema de reconeixement.

Vision for the next 10 years at Narita Airport

Contents - Narita Airport Today (Airport operations) - Airports in Japan Today and Recent Developments - Future Concept for Narita Airport 10 Year Ahead (Future Initiatives)

Prospective vision for International Airport South Africa

Looking Beyond 2010 - Western Precinct will most likely reach saturation before 2015 - This implies some Midfield developments to commence even before 2010 - Update Updated traffic forecast (2010 as well as beyond) Saturation of West Precinct Trigger points of midfield developments Cargo

Central Institute for the Deaf vision screening program

This paper examines the importance of vision screening for hearing-impaired children and proposes and evaluates a vision screening program for the Central Institute for the Deaf.

Advances in Model-Based Traffic Vision

Model based vision allows use of prior knowledge of the shape and appearance of specific objects to be used in the interpretation of a visual scene; it provides a powerful and natural way to enforce the view consistency constraint. A model based vision system has been developed within ESPRIT VIEWS: P2152 which is able to classify and track moving objects (cars and other vehicles) in complex, cluttered traffic scenes. The fundamental basis of the method has been previously reported. This paper presents recent developments which have extended the scope of the system to include (i) multiple cameras, (ii) variable camera geometry, and (iii) articulated objects. All three enhancements have easily been accommodated within the original model-based approach

An Integrated Traffic and Pedestrian Model_based Vision System

The paper describes a novel integrated vision system in which two autonomous visual modules are combined to interpret a dynamic scene. The first module employs a 3D model-based scheme to track rigid objects such as vehicles. The second module uses a 2D deformable model to track non-rigid objects such as people. The principal contribution is a novel method for handling occlusion between objects within the context of this hybrid tracking system. The practical aim of the work is to derive a scene description that is sufficiently rich to be used in a range of surveillance tasks. The paper describes each of the modules in outline before detailing the method of integration and the handling of occlusion in particular. Experimental results are presented to illustrate the performance of the system in a dynamic outdoor scene involving cars and people.

Review of computer vision in intelligent environment design

This paper discusses and compares the use of vision based and non-vision based technologies in developing intelligent environments. By reviewing the related projects that use vision based techniques in intelligent environment design, the achieved functions, technical issues and drawbacks of those projects are discussed and summarized, and the potential solutions for future improvement are proposed, which leads to the prospective direction of my PhD research.

The indoor localization system using vision for multiple mobile robots

This paper presents the development of an indoor localization system using camera vision. The localization system has a capability to determine 2D coordinate (x, y) for a team of mobile robots, Miabot. The experimental results show that the system outperforms our existing sonar localizer both in accuracy and a precision.

View-based approaches to spatial representation in human vision

In an immersive virtual environment, observers fail to notice the expansion of a room around them and consequently make gross errors when comparing the size of objects. This result is difficult to explain if the visual system continuously generates a 3-D model of the scene based on known baseline information from interocular separation or proprioception as the observer walks. An alternative is that observers use view-based methods to guide their actions and to represent the spatial layout of the scene. In this case, they may have an expectation of the images they will receive but be insensitive to the rate at which images arrive as they walk. We describe the way in which the eye movement strategy of animals simplifies motion processing if their goal is to move towards a desired image and discuss dorsal and ventral stream processing of moving images in that context. Although many questions about view-based approaches to scene representation remain unanswered, the solutions are likely to be highly relevant to understanding biological 3-D vision.

Abrasion control on dune colour: Muleshoe Dunes, SW USA

The Muleshoe Dunes, an east-west trending dunefield on the border separating Texas and New Mexico, consist of two distinct components: a white (carbonate rich) component and an overlying pink (quartz rich) component. The pink component exhibits significant spatial variation in redness. The reddest sands, in the western part of the dunefield, decrease in redness towards the east. This gradient is thought to result from abrasion of all iron-rich, red clay coating as the sediments were transported eastward by Late Quaternary aeolian processes. The effects of aeolian abrasion on the spectral signature and surface texture of the sediments were examined using laboratory abrasion experiments. Changes in spectral reflectance of abrasion samples from the laboratory were compared to field samples that were abraded naturally because of sediment transport. The changes resulting from increased time of abrasion are similar to those observed with increased distance downwind in the dunefield. These results suggest that downwind abrasion can explain the pattern of dune colour in the Muleshoe Dunes, although this does not preclude other possible causes. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Analysis of ochres from Clearwell Caves: the role of particle size in determining colour

Three ochre samples (A (orange-red in colour), B (red) and C (purple)) from Clearwell Caves, (Gloucestershire, UK) have been examined using an integrated analytical methodology based on the techniques of IR and diffuse reflectance UV-visible-NIR spectroscopy, X-ray diffraction, elemental analysis by ICP-AES and particle size analysis. It is shown that the chromophore in each case is haematite. The differences in colour may be accounted for by (i) different mineralogical and chemical composition in the case of the orange ochre, where hi,,her levels of dolomite and copper are seen and (ii) an unusual particle size distribution in the case of the purple ochre. When the purple ochre was ground to give the same particle size distribution as the red ochre then the colours of the two samples became indistinguishable. An analysis has now been completed of a range of ochre samples with colours from yellow to purple from the important site of Clearwell Caves. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

"The past is still right here in the present": second-generation Bajan-Brit transnational migrants' views on issues relating to race and colour class

This paper deals with second-generation Barbadians or 'Bajan-Brits', who have decided to,return' to the birthplace of their parents, focusing on their reactions to matters relating to race relations and racialised identities. The importance of race and the operation of the 'colour-class' system in the Caribbean are established at the outset. Based on fifty-two qualitative in-depth interviews, the paper initially considers the positive things that the second-generation migrants report about living in a majority black country and the salience of such racial affirmation as part of their migration process. The paper then presents an analysis of the narratives provided by the Bajan-Brits concerning their reactions to issues relating to race relations in Barbadian society. The impressions of the young returnees provide clear commentaries on what are regarded as (i) the 'acceptance of white hegemony' within Barbadian society, (ii) the occurrence of de facto 'racial segregation, (iii) perceptions of the 'existence of apartheid, and (iv) 'the continuation of slavery'. The account then turns to the contemporary operation of the colour-class system. It is concluded that, despite academic arguments that the colour-class dimension has to be put to one side as the principal dimension of social stratification in the contemporary Caribbean, the second-generation migrants are acutely aware of the continued existence and salience of such gradations within society. Thus, the analysis not only serves to emphasise the continued importance of racial-based stratification in the contemporary Caribbean, but also speaks of the 'hybrid' and 'in-between' racialised identities of the second-generation migrants.

Abrasion control on dune colour: Muleshoe Dunes, SW USA

The Muleshoe Dunes, an east-west trending dunefield on the border separating Texas and New Mexico, consist of two distinct components: a white (carbonate rich) component and an overlying pink (quartz rich) component. The pink component exhibits significant spatial variation in redness. The reddest sands, in the western part of the dunefield, decrease in redness towards the east. This gradient is thought to result from abrasion of all iron-rich, red clay coating as the sediments were transported eastward by Late Quaternary aeolian processes. The effects of aeolian abrasion on the spectral signature and surface texture of the sediments were examined using laboratory abrasion experiments. Changes in spectral reflectance of abrasion samples from the laboratory were compared to field samples that were abraded naturally because of sediment transport. The changes resulting from increased time of abrasion are similar to those observed with increased distance downwind in the dunefield. These results suggest that downwind abrasion can explain the pattern of dune colour in the Muleshoe Dunes, although this does not preclude other possible causes. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.