New insights on laser-based structured light for underwater 3D reconstruction

Abstract

[cat] Els mapes visuals tridimensionals del fons marí proporcionen informació objectiva per caracteritzar de manera fiable aquestes àrees. Aquests mapes són també de gran valor d’estudi per a llocs arqueològics o àrees geològicament interessants. Sovint, es necessiten escales espacials de més de 8 ordres de magnitud, des de la resolució milimètrica fins als > 100 km 2 , per reconèixer les característiques clau d’interès per a les àrees sobre les quals es distribueixen. La resolució precisa a escala ha estat un problema en l’última dècada. Avui dia, els nous sensors basats en visió, com els làsers i la llum estructurada, ofereixen una resolució més alta que els sensors acústics coneguts. L’ús d’aquests nous sensors planteja nous reptes en la localització subaquàtica, ja que la majoria dels errors del mapa provenen ara de l’autolocalització i no del sensor de mesura. Aquesta tesi presenta dues solucions diferents al problema del mapatge visual. La primera part presenta un nou sistema de llum estructurada basat en làser per augmentar la resolució de percepció 3D, la precisió i la velocitat de fotogrames en comparació dels seus homòlegs acústics i càmeres. El sistema consta d’un element òptic difractiu (DOE) amb làser que difracta el feix en 25 plans paralels i una càmera per recuperar les línies intersectades al fons marí. Proposem un procediment de calibratge i resolem el problema de correspondència utilitzant un algoritme d’arbre d’expansió màxima. Els resultats experimentals mostren que el sistema aconsegueix una millor representació dels objectes i supera la estereoscòpia simple en escenaris sense característiques visuals. La segona part de la tesi fa servir un làser estàndard d’una línia en una solució batimètrica SLAM per corregir tant la navegació com la forma general de l’entorn detectat. Es presenten dos algoritmes diferents, un és SLAM batimètric a partir de sub-mapes, que guarda porcions de mapa petites per ser registrades en una etapa posterior utilitzant ICP i BPSLAM, una quadrícula 2.5D que tracta cada mesura làser com una partícula en un filtre de partícules per trobar la posició que millor s’adapti al mapa conegut. Els algoritmes batimètrics desenvolupats de SLAM es proven en una petita àrea rocosa propera a la costa a Valldemossa utilitzant SparusII i en Hidrate Ridge usant AE2000f.

[spa] Los mapas visuales tridimensionales del fondo marino proporcionan información objetiva para caracterizar de manera confiable dichas áreas.Estos mapas son también de gran valor de estudio para sitios arqueológicos o áreas geológicamente interesantes. A menudo, se necesitan escalas espaciales de más de 8 órdenes de magnitud, desde la resolución milimétrica hasta los > 100 km², para reconocer las características clave de interés para las áreas sobre las cuales se distribuyen. La resolución precisa a escala ha sido un problema en la última década. Hoy en día, los nuevos sensores basados en visión, como los láseres y la luz estructurada, ofrecen una resolución más alta que los sensores acústicos conocidos. El uso de estos novedosos sensores plantea nuevos desafíos en la localización subacuática, ya que la mayoría de los errores del mapa provienen ahora de la autolocalización y no del sensor de medida. Esta tesis presenta dos soluciones diferentes al problema del mapeo visual. La primera parte de PhD presenta un novedoso sistema de luz estructurada basado en láser para aumentar la resolución de percepción 3D, la precisión y la velocidad de fotogramas en comparación con sus homólogos acústicos y cámaras. El sistema consta de un elemento óptico difractivo (DOE) con láser que difracta el haz en 25 planos paralelos y una cámara para recuperar las líneas intersectadas al fondo marino. Proponemos un procedimiento de calibración y resolvemos el problema de correspondencia utilizando un algoritmo de árbol de expansión máxima. Los resultados experimentales muestran que el sistema consigue una mejor representación de los objetos y supera la estereoscopía simple en escenarios sin características visuales. La segunda parte de la tesis usa un láser estándar de una línea en una solución batimétrica SLAM para corregir tanto la navegación como la forma general del entorno detectado. Se presentan dos algoritmos diferentes, uno es SLAM batimétrico a partir de sub-mapas, que guarda porciones de mapa peque nas para ser registradas en una etapa posterior utilizando ICP y BPSLAM, una cuadrícula 2.5D que trata cada medida láser como una partícula en un filtro de partículas para encontrar la posición que mejor se adapte al mapa conocido. Los algoritmos batimétricos desarrollados de SLAM se prueban en una peque na área rocosa cercana a la costa en Valldemossa utilizando SparusII y en Hidrate Ridge usando AE2000f.

[eng] Three-dimensional visual maps of the seafloor provide objective information to reliably characterise these scenes. These maps are of great study value for archaeological sites or geologically interesting areas. Often, spatial scales over 8 orders of magnitude are needed, from the millimetre resolution to the > 100 km², to recognise key features of interest to areas over which they are distributed. Delivering precise resolution at scale has been an issue for the last decade. Nowadays, new vision based sensors such as lasers and structured light provide a higher resolution than known acoustic sensors. Using these innovative sensors poses new challenges in underwater localization as most of the mapping error comes now from the selflocalization rather than from the measurement sensor. This thesis presents two different solutions to the visual mapping problem. The first part of the PhD presents a novel laser-based structured light system to increase 3D perception resolution, accuracy and frame rate when compared to acoustic counterparts and cameras. The system consists of a laser Diffractive Optical Element (DOE) that diffracts the beam in 25 parallel planes and a camera to recover the intersected lines to the seafloor. We propose a calibration procedure and solve the correspondence problem using a Maximum Spanning Tree algorithm. The experimental results show that the system draws a better representation of the objects in front and outperforms plain stereoscopy in featureless scenarios. The second part of the thesis uses a standard laser stripe instead, to cast a single line on the seafloor, in a bathymetric SLAM solution to correct both the navigation and overall shape of the sensed environment. Two different algorithms are presented, one is sub-map bathymetric SLAM, which saves small map portions to be registered at a later stage using ICP and BPSLAM, a 2.5D grid that treats every scan as a particle in a Particle Filter to find the position that better suits the known map. The developed bathymetric SLAM algorithms are tested in a close-to-shore small rocky area in Valldemossa using the AUV SparusII and in a large survey in the Hydrate Ridge using the AUV AE2000f.