Localication et cartographie simultanées par vision monoculaire contraintes par un SIG : application à la géolocalisation d'un véhicule

par Pierre Lothe

Thèse de doctorat en Vision pour la Robotique

Sous la direction de Michel Dhome.

Soutenue le 08-10-2010

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec LAboratoire des Sciences et Matériaux pour l’Electronique, et d’Automatique (équipe de recherche) et de (LASMEA) Laboratoire des sciences et matériaux pour l'électronique et d'automatique (laboratoire) .

Le président du jury était Nicolas Paparoditis.

Le jury était composé de Peter Sturm, Patrick Rives, François Chaumette, Steve Bourgeois, Eric Royer.

Les rapporteurs étaient Peter Sturm, Patrick Rives, François Chaumette.


  • Résumé

    Les travaux réalisés au cours de cette thèse s’inscrivent dans les problématiques de localisation d’un véhicule par vision. Nous nous plaçons en particulier dans le cas de parcours sur de longues distances, c’est à dire plusieurs kilomètres. Les méthodes actuelles de localisation et cartographie simultanées souffrent de problèmes de dérives qui les rendent difficilement exploitables après plusieurs centaines de mètres. Nous proposons dans ce mémoire de pallier ces limites en exploitant une connaissance à priori sur la géométrie de l’environnement parcouru.Cette information est extraite d’un Système d’Information Géographique. En particulier, les travaux réalisés se basent sur les modèles 3D des bâtiments des villes et sur une carte de la route.Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons une approche permettant de corriger hors ligne une reconstruction SLAM en exploitant la connaissance d’un modèle 3D simple de l’environnement. Cette correction s’applique en deux étapes. En premier lieu, un recalage non-rigide entre le nuage de points reconstruit et le modèle 3D est effectué de sorte à retrouver la cohérence globale de la reconstruction. Dans le but de raffiner le nuage de points obtenu, un ajustement de faisceaux contraint par le SIG est alors effectué sur l’ensemble de la reconstruction.La particularité de cet ajustement de faisceaux est qu’il prend implicitement en compte les contraintes géométriques apportées par le modèle 3D. La reconstruction ainsi corrigée est alors utilisée en tant que base de données pour la relocalisation en ligne d’une caméra mobile. La précision de relocalisation obtenue est en particulier suffisante pour les applications de réalité augmentée.Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous détaillons une solution permettant de corriger en ligne la reconstruction SLAM. Pour cela, les contraintes géométriques apportées par le SIG sont exploitées au fur et à mesure de la trajectoire du véhicule. Nous montrons tout d’abord que la connaissance de la position relative de la caméra par rapport à la route permet de corriger de façon robuste la dérive de facteur d’échelle. De plus, lorsque les contraintes géométriques sont suffisantes, la reconstruction SLAM réalisée jusqu’à l’instant courant est recalée sur le SIG.Cela permet de corriger ponctuellement la dérive observée sur la position courante de la caméra.Le processus complet permet dès lors de localiser le véhicule avec une précision semblable à celle d’un système GPS sur des trajectoires de plusieurs kilomètres.Les deux méthodes proposées ont été testées à la fois sur des séquences de synthèse et réelles. Des résultats qualitatifs et quantitatifs sont présentés tout au long de ce mémoire.

  • Titre traduit

    Monocular SLAM contrained with GIS data and its Application to vision-based Vehicle Geo-localization


  • Résumé

    This thesis deals with the vision based geolocalisation of a vehicle. In particular, the problem of localisation on large sequences, i.e. several kilometers, is studied. In this context, state of the art Simultaneous Localisation and Mapping systems suffer from drift. In consequence,existing SLAM methods can not provide accurate localisation of the camera after several hundred meters. Thus, we propose in this thesis to avoid the drift phenomenon by exploiting a simple knowledge about the geometry of the environment. This information is provided by a Geographical Information System. In particular, our work is based on coarse 3D city models and road maps.In the first part, we propose an offline two steps correction of SLAM reconstructions based on a 3D city model of the area. First, the reconstructed 3D point cloud and this 3D city model are aligned through a non-rigid transformation. This step allows the SLAM reconstruction to regain its global consistency. Then, a bundle adjustment constrained with the GIS is applied on the entire reconstruction to refine its geometry. The innovation of this bundle adjustment is that it takes into account the geometrical constraints provided by the 3D city model in a single term.The obtained 3D point cloud can then be considered as a feature landmark database. Finally, this database is used to localise a moving camera in real-time. In pratice, the precision of the obtained localisation is sufficient for augmented reality applications. In the second part of this manuscript, we present a solution which makes possible the online correction of a SLAM reconstruction. The GIS geometrical constraints are exploited over the vehicle trajectory. First, we show that the scale factor drift can be robustly corrected thanks to the knowledge of the ground plane equation. Furthermore, the current SLAM reconstruction is fitted onto the GIS when the geometrical constraints are sufficient. It punctually ensures the correction of the current camera position. The entire process allows the geolocalisation of a vehicle on several kilometers. The obtained precision is close to GPS.The two proposed solutions have been validated of both synthetic and real sequences. Quantitative and qualitative experiments are presented over this manuscript.


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