Unsupervised Gaussian mixture models for the classification of outdoor environments using 3D terrestrial lidar data

by Artur otavio Fernandes maligo

Doctoral thesis in Robotique

Under the supervision of Simon Lacroix.

defended on 28-01-2016

in Toulouse, INSA , under the authority of Systèmes , in a partnership with Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (laboratoire) and Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse] / LAAS (laboratoire) .

Thesis committee President: Michel Devy.

Thesis committee members: Simon Lacroix.

Examiners: Olivier Aycard, Paul Checchin.


  • Abstract

    The processing of 3D lidar point clouds enable terrestrial autonomous mobile robots to build semantic models of the outdoor environments in which they operate. Such models are interesting because they encode qualitative information, and thus provide to a robot the ability to reason at a higher level of abstraction. At the core of a semantic modelling system, lies the capacity to classify the sensor observations. We propose a two-layer classi- fication model which strongly relies on unsupervised learning. The first, intermediary layer consists of a Gaussian mixture model. This model is determined in a training step in an unsupervised manner, and defines a set of intermediary classes which is a fine-partitioned representation of the environment. The second, final layer consists of a grouping of the intermediary classes into final classes that are interpretable in a considered target task. This grouping is determined by an expert during the training step, in a process which is supervised, yet guided by the intermediary classes. The evaluation is done for two datasets acquired with different lidars and possessing different characteristics. It is done quantitatively using one of the datasets, and qualitatively using another. The system is designed following the standard learning procedure, based on a training, a validation and a test steps. The operation follows a standard classification pipeline. The system is simple, with no requirement of pre-processing or post-processing stages.

  • Alternative Title

    Modèles de mélange gaussien sans surveillance pour la classification des environnements extérieurs en utilisant des données 3D de lidar terrestre


  • Abstract

    Le traitement de nuages de points 3D de lidars permet aux robots mobiles autonomes terrestres de construire des modèles sémantiques de l'environnement extérieur dans lequel ils évoluent. Ces modèles sont intéressants car ils représentent des informations qualitatives, et ainsi donnent à un robot la capacité de raisonner à un niveau plus élevé d'abstraction. Le coeur d'un système de modélisation sémantique est la capacité de classifier les observations venant du capteur. Nous proposons un système de classification centré sur l'apprentissage non-supervisé. La prémière couche, la couche intermédiaire, consiste en un modèle de mélange gaussien. Ce modèle est déterminé de manière non-supervisée lors d'une étape de training. Il definit un ensemble de classes intermédiaires qui correspond à une partition fine des classes présentes dans l'environnement. La deuxième couche, la couche finale, consiste en un regroupement des classes intermédiaires dans un ensemble de classes finales qui, elles, sont interprétables dans le contexte de la tâche ciblée. Le regroupement est déterminé par un expert lors de l'étape de training, de manière supervisée, mais guidée par les classes intermédiaires. L'évaluation est basée sur deux jeux de données acquis avec de différents lidars et possédant différentes caractéristiques. L'évaluation est quantitative pour l'un des jeux de données, et qualitative pour l'autre. La concéption du système utilise la procédure standard de l'apprentissage, basée sur les étapes de training, validation et test. L'opération suit la pipeline standard de classification. Le système est simple, et ne requiert aucun pré-traitement ou post-traitement.


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This thesis has resulted in a publication by in 2016 by INSA Toulouse [diffusion/distribution] in Toulouse

Unsupervised Gaussian mixture models for the classification of outdoor environments using 3D terrestrial lidar data


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Informations

  • Under the title: Unsupervised Gaussian mixture models for the classification of outdoor environments using 3D terrestrial lidar data
  • Details : 1 vol. (v-73 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.69-73
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