Underwater 3d sensing using structured light: development of an underwater laser scanner and a non-rigid point cloud registration method
dc.contributor
dc.contributor.author
dc.date.accessioned
2023-05-23T09:04:14Z
dc.date.available
2023-05-23T09:04:15Z
dc.date.issued
2023-02-10
dc.identifier.uri
dc.description.abstract
Accurate underwater 3D perception is essential to advance towards the automation
of expensive, dangerous and/or time-consuming tasks, such as the inspection, maintenance
and repair of off-shore industrial sites. Accurate underwater 3D sensors can potentially
have a large positive impact on the progress of tasks like object detection and
semantic mapping, which are key to the development of robotic platforms capable of a
higher level of abstraction. Moreover, these advances would decidedly contribute to the
transition from remotely operated vehicles (ROVs) towards autonomous underwater vehicles
(AUVs) in industrial operations. However, accurate underwater 3D perception is very
hard to achieve because of the many physical particularities of light propagation in water,
including refraction: the direction of light rays changes due to the different refraction
indices of the media it travels through.
This thesis focuses on the development of a novel underwater 3D scanner and a nonrigid
point cloud registration method aimed at enabling underwater 3D reconstructions
with accuracies in the order of millimeters both in static and dynamic missions.
The thesis is structured according to these two main contributions, which resulted in
five journal articles. The first main contribution of this thesis is designing and building an
underwater 3D scanner using a 2-axis mirror. The second axis of the rotating mirror allows
us to project optimally-curved scanning patterns designed to counteract refraction, so that
they transform into straight lines when entering the water. This results in a decrease in
computational complexity of the 3D reconstruction while maintaining millimeter accuracy.
Minor contributions of this part of the thesis are the design of a ray-tracing model to
study the effect of each optical component on the quality of the 3D reconstruction and the
development of a simplified calibration algorithm based on numeric projection functions.
The second main contribution of this thesis is the development of a non-rigid point cloud
registration method that can successfully minimize the motion distortion that appears
when the scanner is mounted on a moving robot.
Finally, this thesis also includes unpublished 3D reconstructions performed during
missions both in the water tank at the Centre d’Investigació en Robòtica Submarina
(CIRS) and at sea
Una percepció submarina 3D d’alta precisió és essencial per avançar cap a l’automatització
de tasques com la inspecció, el manteniment i la reparació d’estructures industrials
submarines, las quals actualment comporten un elevat preu, risc i/o durada. Disposar
de sensors 3D subaquàtics d’alta precisió podria accelerar el progrés de tasques com
la detecció d’objectes i el mapejat semàntic, claus per al desenvolupament de plataformes
robòtiques capaces d’un nivell d’abstracció més alt. A més, aquest avenç contribuiria de
forma decisiva a la transició a nivell industrial des de vehicles submarins operats remotament
(ROVs) cap a vehicles submarins autònoms (AUVs). No obstant això, aconseguir
percepció 3D d’alta precisió sota l’aigua és difícil per les moltes particularitats físiques de
la propagació de la llum a l’aigua, incloent-hi la refracció: la llum canvia de direcció a
causa dels diferents índexs de refracció dels mitjans pels quals viatja.
Aquesta tesi se centra en el desenvolupament d’un nou escàner 3D submarí i un mètode
de registre no-rígid de núvols de punts amb l’objectiu de crear reconstruccions submarines
en 3D amb precisions a l’ordre de mil·límetres tant en missions estàtiques com dinàmiques.
La tesi s’estructura segons aquestes dues contribucions principals, las quals ens han
permès publicar cinc articles en revistes científiques. La primera contribució principal és
el disseny i la construcció d’un escàner 3D submarí usant un mirall de dos eixos de rotació.
El segon eix del mirall ens permet projectar patrons d’escaneig corbats de manera òptima
per contrarestar la refracció, de manera que es transformin en línies rectes en entrar
a l’aigua. Així, podem disminuir la complexitat computacional de la reconstrucció 3D
mentre mantenim una precisió mil·limètrica. Altres contribucions de menor rang d’aquesta
part de la tesi són el disseny d’un model de la direcció del feix làser per estudiar l’efecte
de cada component òptic en la qualitat de la reconstrucció 3D, i el desenvolupament d’un
algoritme de calibració simplificat basat en funcions numèriques de projecció. La segona
contribució principal és un mètode de registre no-rígid de núvols de punts que minimitza
la distorsió present als escanejats quan el sensor està muntat en un robot en moviment.
Finalment, aquesta tesi també inclou reconstruccions 3D no publicades fins ara i que
van ser realitzades en missions tant a la piscina del Centre d’Investigació en Robòtica
Submarina (CIRS) com al mar
dc.format.extent
98 p.
dc.language.iso
eng
dc.publisher
Universitat de Girona
dc.rights
L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
dc.source
TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)
dc.subject.other
dc.title
Underwater 3d sensing using structured light: development of an underwater laser scanner and a non-rigid point cloud registration method
dc.type
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
dc.rights.accessRights
info:eu-repo/semantics/openAccess
dc.contributor.director
dc.type.version
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.coverage.geolocation
east=2.836213; north=41.967347; name=CIRS Centre d'Investigació en Robòtica Submarina
dc.description.degree
Programa de Doctorat en Tecnologia
Localització