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1. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Universit`a degli Studi di Firenze Facolt`a di Ingegneria Progetto e sviluppo di un modulo di visual odometry per dispositivi mobili Marco Righini Relatore: Prof. Pietro Pala Co-relatore: Ing. Walter Nunziati 5 Marzo 2012 Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

2. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Sommario 1. Odometria visuale 2. Flusso ottico e stima del moto 3. Architettura dell’applicazione 4. Risultati dei test eﬀettuati Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

3. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Visual odometry L’obiettivo principale della tesi è la realizzazione di un modulo per il supporto alla navigazione indoor su dispositivi mobili. Approcci esistenti e relative limitazioni: Metodo Limitazioni Triangolazione/trilaterazione wifi Necessità di ambiente strumentato RFID attivi/passivi Necessità di ambiente strumentato Sensori inerziali del dispositivo Alta rumorosità del segnale Alternativa: visual odometry Determinare il percorso effettuato tramite l’analisi video della sequenza di immagini catturate dalla telecamera. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

6. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Dispositivi mobili Gli studi di odometria visuale presenti in letteratura si riferiscono ad un utilizzo tipico su piattaforme robotiche caratterizzate da: movimenti controllati; conﬁgurazione hardware scelta ad hoc. I dispositivi mobili costituiscono un ambito applicativo diﬀerente: nessun controllo di posa; componenti hardware limitate e vincolate dal costruttore. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

7. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Dispositivi mobili Gli studi di odometria visuale presenti in letteratura si riferiscono ad un utilizzo tipico su piattaforme robotiche caratterizzate da: movimenti controllati; conﬁgurazione hardware scelta ad hoc. I dispositivi mobili costituiscono un ambito applicativo diﬀerente: nessun controllo di posa; componenti hardware limitate e vincolate dal costruttore. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

8. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Approccio seguito Ad ogni istante. . . La posizione corrente è ottenuta a partire dalla posizione precedente tramite il calcolo dello spostamento relativo effettuato. Il metodo risolutivo adottato è di tipo iterativo e prevede per ogni coppia di frame acquisiti: 1 Calcolo del flusso ottico; Keypoint detection. Estrazione punti interessanti dal primo frame; Keypoint tracking. Ricerca delle corrispondenze nel frame successivo. 2 Stima del moto. Calcolo della trasformazione proiettiva (omografia). Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

12. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Scenario applicativo Il procedimento richiede che le corrispondenze dei punti siano proiezione di una stessa struttura planare. Situazioni critiche: corridoi stretti; rotazioni ravvicinate ad oggetti sporgenti; oggetti vicini in movimento. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

13. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Scenario applicativo Il procedimento richiede che le corrispondenze dei punti siano proiezione di una stessa struttura planare. Situazioni critiche: corridoi stretti; rotazioni ravvicinate ad oggetti sporgenti; oggetti vicini in movimento. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

14. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Flusso ottico sparso Flusso ottico Moto apparente di pattern di luminosità quando la telecamera è in moto relativo rispetto agli oggetti inquadrati nell’immagine. Il metodo utilizzato è di tipo sparso e prevede il calcolo del flusso ottico solamente per un sottoinsieme di punti notevoli (keypoint) dell’immagine. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

15. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Flusso ottico sparso Flusso ottico Moto apparente di pattern di luminosità quando la telecamera è in moto relativo rispetto agli oggetti inquadrati nell’immagine. Il metodo utilizzato è di tipo sparso e prevede il calcolo del flusso ottico solamente per un sottoinsieme di punti notevoli (keypoint) dell’immagine. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

16. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Rilevamento ed inseguimento keypoint Rilevamento FAST [Rosten, 2006]. Opera considerando la circonferenza di 16 pixel centrata nel punto candidato p. Inseguimento LK [Lucas and Kanade, 1981]. Fornisce una soluzione all’equazione generale del ﬂusso ottico v utilizzando una ﬁnestra di pixel S ed il metodo dei minimi quadrati pesati: v = [vx vy ] = argmin v u∈S wu I(u, t) · vT + ∂I ∂t (u, t) 2 Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

17. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Rilevamento ed inseguimento keypoint Rilevamento FAST [Rosten, 2006]. Opera considerando la circonferenza di 16 pixel centrata nel punto candidato p. Inseguimento LK [Lucas and Kanade, 1981]. Fornisce una soluzione all’equazione generale del ﬂusso ottico v utilizzando una ﬁnestra di pixel S ed il metodo dei minimi quadrati pesati: v = [vx vy ] = argmin v u∈S wu I(u, t) · vT + ∂I ∂t (u, t) 2 Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

18. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Stima della trasformazione proiettiva (omografia) L’obiettivo è determinare la relazione tra immagini degli stessi punti di un piano quando il punto di vista dell’osservatore cambia. x ∼ H · x con H ∈ R3×3 La matrice omografia H presenta 8 gradi di libertà e per calcolarla sono necessarie 4 corrispondenze di punti o linee. Tipicamente è utilizzato un metodo di stima robusta (RANSAC) su più corrispondenze. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

21. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Pattern di calibrazione Tramite la composizione (moltiplicazione) delle omografie è possibile ottenere lo spostamento in pixel rispetto al sistema di riferimento dell’immagine iniziale. . . . e per la rispettiva distanza in metri Si utilizza un pattern di calibrazione di dimensioni metriche note e si calcola l’omografia di calibrazione. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

24. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Android e OpenCV Il processo di keypoint detection, tracking e calcolo dell’omograﬁa `e stato implementato in un’applicazione per la piattaforma Android. La libreria OpenCV ha fornito gli strumenti base di computer vision. Oltre all’implementazione standard C/C++ esiste un porting per Android in linguaggio Java. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

25. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Android e OpenCV Il processo di keypoint detection, tracking e calcolo dell’omograﬁa `e stato implementato in un’applicazione per la piattaforma Android. La libreria OpenCV ha fornito gli strumenti base di computer vision. Oltre all’implementazione standard C/C++ esiste un porting per Android in linguaggio Java. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

26. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Android NDK L’Android NDK permette di integrare codice nativo C/C++ all’interno delle applicazioni Android. Sviluppo nativo Modulo di visual odometry nativo ed autocontenuto. Motivazioni: Ottimizzazione delle prestazioni; Riduzione tempi di overhead. Il porting di OpenCV `e un wrapper per chiamate alla libreria standard C/C++; Riutilizzo codice per test in locale. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

31. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Architettura dell’applicazione Ottimizzazioni: Maschere di rilevamento keypoint. Ridurre punti estranei al piano-pavimento; Ripetizione omografia. Nel caso limite in cui non sia possibile calcolare l’omografia, è utilizzata l’ultima computata. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

34. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni User interface L’interfaccia utente `e composta da due activity: Calibration Activity Map Activity Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

35. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni User interface L’interfaccia utente `e composta da due activity: Calibration Activity Map Activity Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

36. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Test e risultati Accuratezza del modulo di navigazione Differenza tra la posizione reale e quella computata. Strettamente dipendente dalla scelta dei parametri liberi degli algoritmi. Ottimizzazione locale. Per ogni fase del processo di visual odometry è stata scelta la configurazione ottimale tramite l’analisi di opportuni descrittori. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

39. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Confronto algoritmi di keypoint detection Ripetibilità. Stabilità geometrica dei keypoint estratti in due immagini della stessa scena, catturate da punti di vista differenti. 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Immagine Ripetibilitá ST3 ST4 ST5 ST6 ST7 ST8 ST9 ST10 FAST Tempo di esecuzione. L’algoritmo FAST è circa 9 volte più veloce di Shi-Tomasi. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

40. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Confronto algoritmi di keypoint detection Ripetibilità. Stabilità geometrica dei keypoint estratti in due immagini della stessa scena, catturate da punti di vista differenti. 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Immagine Ripetibilitá ST3 ST4 ST5 ST6 ST7 ST8 ST9 ST10 FAST Tempo di esecuzione. L’algoritmo FAST è circa 9 volte più veloce di Shi-Tomasi. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

41. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Prestazioni algoritmo di tracking LK Accuratezza. `E rappresentata dal numero di keypoint inseguiti e dall’errore sugli stessi. 92.5 93 93.5 94 94.5 95 95.5 16 16.5 17 17.5 18 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 media percentuale keypoint inseguiti erroremedio Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

42. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Accuratezza del modulo di navigazione Percorso (circa 10m) Lineare Andata e ritorno Deviazione vmin m s 0.04 0.09 0.086 vmax m s 0.38 0.2 0.19 Numero prove 15 10 10 Errore medio % 8.13 8.33 14.89 Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

43. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Conclusioni e sviluppi futuri Il lavoro di ricerca ha permesso: lo sviluppo di un modulo di visual odometry e del prototipo di applicazione di navigazione; la caratterizzazione degli algoritmi al variare dei parametri liberi; la determinazione delle performance necessarie all’esecuzione del modulo. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

46. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Grazie per l'attenzione Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

47. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Shi-Tomasi Valuta il punto candidato p tramite l’analisi degli autovalori λ1 e λ2 della matrice di autocorrelazione Mac = u∈S wu ∂I ∂x 2 (u) u∈S wu ∂I ∂x (u) ∂I ∂y (u) u∈S wu ∂I ∂x (u) ∂I ∂y (u) u∈S wu ∂I ∂y 2 (u) Sia λp = min(λ1,λ2) e λ un valore soglia ﬁssato: λp ≤ λ indica un edge o una regione uniforme; λp > λ rivela un keypoint. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

48. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Flusso ottico sparso Assunzioni fondamentali: Intensit`a costante; Persistenza temporale; Coerenza spaziale. Si ottiene l’equazione fondamentale del ﬂusso ottico v: I · vT = − ∂I ∂t Una equazione in due incognite. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

49. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Maschere di rilevamento keypoint Nel compimento di rotazioni ravvicinate ad ostacoli sporgenti, `e risultato evidente che, nella maggior parte dei casi, i punti estranei si dispongono nella parte superiore dell’inquadratura. In particolare sono state individuate tre diverse situazioni, corrispondenti a diverse distanze dagli ostacoli: Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

50. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Fasi dei test di ripetibilità Calibrazione dei valori di soglia. Per ogni pavimentazione sia estratto un numero sufficiente di keypoint; Warping delle immagini; Calcolo della ripetibilità. Al variare dei parametri liberi: 1 Keypoint detection. Rilevazione dei keypoint sull’immagine originale (P1) e sull’immagine trasformata (P2); 2 Punti ripetuti. R2 = {(p1, p2) ∈ P1 × P2|d(H · p1, p2) < 2}; 3 Ripetibilità. r2 = |R2| min (n1,n2) con n1 = |P1| e n2 = |P2|. Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

51. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Dataset dei test di ripetibilit`a Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

52. Introduzione Studi teorici Progettazione e implementazione Risultati sperimentali Conclusioni Performance dell’algoritmo LK 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 9 11 13 1517 19 21 23 25 27 29 31 4 fps 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 7 9 11 131517 19 21 23 25 27 29 31 8 fps erroremedio 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 7 9 11 13 1517 192123 25 27 29 31 media percentuale keypoint inseguiti 16 fps Marco Righini Modulo di visual odometry per dispositivi mobili

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