Direct visual odometry and dense large-scale environment mapping from panoramic RGB-D images

Cette thèse se situe dans le domaine de l'auto-localisation et de la cartographie 3D des caméras RGB-D pour des robots mobiles et des systèmes autonomes avec des caméras RGB-D. Nous présentons des techniques d'alignement et de cartographie pour effectuer la localisation d'une caméra (suivi), notamment pour des caméras avec mouvements rapides ou avec faible cadence. Les domaines d'application possibles sont la réalité virtuelle et augmentée, la localisation de véhicules autonomes ou la reconstruction 3D des environnements.Nous proposons un cadre consistant et complet au problème de localisation et cartographie 3D à partir de séquences d'images RGB-D acquises par une plateforme mobile. Ce travail explore et étend le domaine d'applicabilité des approches de suivi direct dites "appearance-based". Vis-à-vis des méthodes fondées sur l'extraction de primitives, les approches directes permettent une représentation dense et plus précise de la scène mais souffrent d'un domaine de convergence plus faible nécessitant une hypothèse de petits déplacements entre images.Dans la première partie de la thèse, deux contributions sont proposées pour augmenter ce domaine de convergence. Tout d'abord une méthode d'estimation des grands déplacements est développée s'appuyant sur les propriétés géométriques des cartes de profondeurs contenues dans l'image RGB-D. Cette estimation grossière (rough estimation) peut être utilisée pour initialiser la fonction de coût minimisée dans l'approche directe. Une seconde contribution porte sur l'étude des domaines de convergence de la partie photométrique et de la partie géométrique de cette fonction de coût. Il en résulte une nouvelle fonction de coût exploitant de manière adaptative l'erreur photométrique et géométrique en se fondant sur leurs propriétés de convergence respectives.Dans la deuxième partie de la thèse, nous proposons des techniques de régularisation et de fusion pour créer des représentations précises et compactes de grands environnements. La régularisation s'appuie sur une segmentation de l'image sphérique RGB-D en patchs utilisant simultanément les informations géométriques et photométriques afin d'améliorer la précision et la stabilité de la représentation 3D de la scène. Cette segmentation est également adaptée pour la résolution non uniforme des images panoramiques. Enfin les images régularisées sont fusionnées pour créer une représentation compacte de la scène, composée de panoramas RGB-D sphériques distribués de façon optimale dans l'environnement. Ces représentations sont particulièrement adaptées aux applications de mobilité, tâches de navigation autonome et de guidage, car elles permettent un accès en temps constant avec une faible occupation de mémoire qui ne dépendent pas de la taille de l'environnement.This thesis is in the context of self-localization and 3D mapping from RGB-D cameras for mobile robots and autonomous systems. We present image alignment and mapping techniques to perform the camera localization (tracking) notably for large camera motions or low frame rate. Possible domains of application are localization of autonomous vehicles, 3D reconstruction of environments, security or in virtual and augmented reality. We propose a consistent localization and 3D dense mapping framework considering as input a sequence of RGB-D images acquired from a mobile platform. The core of this framework explores and extends the domain of applicability of direct/dense appearance-based image registration methods. With regard to feature-based techniques, direct/dense image registration (or image alignment) techniques are more accurate and allow us a more consistent dense representation of the scene. However, these techniques have a smaller domain of convergence and rely on the assumption that the camera motion is small.In the first part of the thesis, we propose two formulations to relax this assumption. Firstly, we describe a fast pose estimation strategy to compute a rough estimate of large motions, based on the normal vectors of the scene surfaces and on the geometric properties between the RGB-D images. This rough estimation can be used as initialization to direct registration methods for refinement. Secondly, we propose a direct RGB-D camera tracking method that exploits adaptively the photometric and geometric error properties to improve the convergence of the image alignment.In the second part of the thesis, we propose techniques of regularization and fusion to create compact and accurate representations of large scale environments. The regularization is performed from a segmentation of spherical frames in piecewise patches using simultaneously the photometric and geometric information to improve the accuracy and the consistency of the scene 3D reconstruction. This segmentation is also adapted to tackle the non-uniform resolution of panoramic images. Finally, the regularized frames are combined to build a compact keyframe-based map composed of spherical RGB-D panoramas optimally distributed in the environment. These representations are helpful for autonomous navigation and guiding tasks as they allow us an access in constant time with a limited storage which does not depend on the size of the environment