Underwater image-based 3D reconstruction with quality estimation

Abstract

This thesis addresses the development of resources for accurate scaling and uncertainty estimation of image-based 3D models for scientific purposes based on data acquired with monocular or unsynchronized camera systems in difficult-to-access GPS-denied (underwater) environments. The developed 3D reconstruction framework allows the creation of textured 3D models based on optical and navigation data and is independent of a specific platform, camera or mission. The dissertation presents two new methods for automatically scaling of SfM-based 3D models using laser scalers. Both were used to perform an in-depth scale error analysis of large-scale models of deep-sea underwater environments to determine the advantages and limitations of image-based 3D reconstruction strategies. In addition, a novel SfM-based system is proposed to demonstrate the feasibility of producing a globally consistent reconstruction with its uncertainty while the robot is still in the water or shortly after

Aquesta tesi aborda el desenvolupament de mètodes per a l'estimació precisa de l’escala i la incertesa de models 3D basats en imatges adquirides amb sistemes de càmeres monoculars o no sincronitzades en entorns submarins, de difícil accés i sense GPS. El sistema desenvolupat permet la creació de models 3D amb textura fent servir dades òptiques i de navegació, i és independent d’una plataforma, càmera o missió específica. La tesi presenta dos nous mètodes per a l’escalat automàtic de models 3D basats en SfM mitjançant mesuradors làser. Tots dos es van utilitzar per realitzar una anàlisi exhaustiva d'errors d’escalat de models en aigües submarines profundes per determinar avantatges i limitacions de les estratègies de reconstrucció 3D. A més, es proposa un nou sistema basat en SfM per demostrar la viabilitat de la reconstrucció 3D, globalment consistent, i amb informació d'incertesa mentre el robot encara està a l’aigua o poc després

Esta tesis aborda el desarrollo de recursos para el escalado preciso y la estimación de la incertidumbre de modelos 3D basados en imágenes, y con fines científicos. El marco de reconstrucción 3D desarrollado permite la creación de modelos 3D texturizados basados en datos ópticos y de navegación, adquiridos con sistemas monoculares o no sincronizados de cámaras en entornos (submarinos) de difícil acceso sin disponibilidad de GPS. Además, presenta dos nuevos métodos para el escalado automático de modelos 3D basados en SfM mediante medidores laser. Ambos se utilizaron para analizar los errores en escala, de modelos de ambientes submarinos en aguas profundas, con el fin de determinar las ventajas y las limitaciones de las estrategias de reconstrucción 3D. Además, se propone un nuevo sistema para demostrar la viabilidad de una reconstrucción global consistente junto con su incertidumbre mientras el robot aún está en el agua o poco después