[论文解读] Optically lightweight tracking of objects around a corner

Jonathan Klein, Christoph Peters+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2016

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 26被引用 45

一句话总结

本文提出了一种实时、光学轻量级的绕角目标跟踪方法，仅使用标准2D相机和激光指示器，无需超快探测器或特殊光源。通过以‘分析-合成’方式建模问题——迭代模拟光传输并最小化最小二乘代价函数——该方法实现了通过间接漫反射实现目标平移与旋转的实时跟踪。

ABSTRACT

The observation of objects located in inaccessible regions is a recurring challenge in a wide variety of important applications. Recent work has shown that indirect diffuse light reflections can be used to reconstruct objects and two-dimensional (2D) patterns around a corner. However, these prior methods always require some specialized setup involving either ultrafast detectors or narrowband light sources. Here we show that occluded objects can be tracked in real time using a standard 2D camera and a laser pointer. Unlike previous methods based on the backprojection approach, we formulate the problem in an analysis-by-synthesis sense. By repeatedly simulating light transport through the scene, we determine the set of object parameters that most closely fits the measured intensity distribution. We experimentally demonstrate that this approach is capable of following the translation of unknown objects, and translation and orientation of a known object, in real time.

研究动机与目标

• 解决在不依赖超快飞行时间成像硬件的情况下，感知遮挡区域物体的挑战。
• 仅使用标准2D相机和激光指示器，实现实时跟踪未知或已知刚性物体绕角运动。
• 通过将逆问题表述为隐式优化任务，克服基于反投影方法的局限性。
• 展示使用常规光学硬件实现非视域感知的实际可行性。

提出的方法

• 将跟踪问题表述为一种分析-合成方法，通过迭代优化场景假设以匹配观测到的强度分布。
• 使用快速、GPU加速的渲染器模拟三重漫反射光传输（墙–物体–墙），表面反射遵循朗伯反射模型。
• 定义一个最小二乘代价函数，比较模拟的强度分布与实测相机数据，通过最小化差异来估计物体位姿。
• 将观测图像建模为激光开启与关闭测量值的差值，通过减去预先估计的背景以隔离动态物体的贡献。
• 通过平均300帧在物体移除状态下采集的差分图像来估计背景反射率，从而降低输入信号中的噪声。
• 将图像下采样至160×128像素，以提升计算效率，同时保留可检测的低频强度调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅使用标准2D相机和激光指示器，能否在不依赖超快探测器或窄带光源的情况下实现实时跟踪未知物体绕角运动？
• RQ2 基于光传输模拟的分析-合成方法，在解决非视域感知中病态逆问题方面效果如何？
• RQ3 在三重漫反射扩散反射设置中，物体运动引起的强度调制可检测灵敏度是多少？
• RQ4 仅通过间接反射的强度测量，物体平移与旋转的准确估计程度如何？

主要发现

• 系统成功实现了仅通过标准相机和激光指示器的强度测量，实时跟踪未知物体的平移。
• 通过利用快速GPU加速的光传输模拟和最小二乘代价函数的高效优化，该方法实现了实时性能。
• 通过最小化模拟与观测强度分布之间的差异，系统可同时跟踪已知物体的平移与旋转。
• 通过使用300帧平均背景估计来降低输入数据噪声，证明了该方法对噪声和背景变化具有鲁棒性。
• 该方法无需时间分辨测量或特殊光学组件，具有实际部署的可行性。
• 合成仿真结果证实，物体运动会在墙壁上引起可测量的强度调制，验证了通过间接光传输检测位姿变化的可行性。