Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW
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Publikation Implementation and first evaluation of an indoor mapping application using smartphones and frameworks(2019) Hasler, Oliver; Blaser, Stefan; Nebiker, StephanIn this paper, we present the implementation of a smartphone-based indoor mobile mapping application based on an augmented reality (AR) framework and a subsequent performance evaluation in demanding indoor environments. The implementation runs on Android and iOS devices and demonstrates the great potential of smartphone-based 3D mobile mapping. The application includes several functionalities such as device tracking, coordinate, and distance measuring as well as capturing georeferenced imagery. We evaluate our prototype system by comparing measured points from the tracked device with ground control points in an indoor environment with two different campaigns. The first campaign consists of an open, one-way trajectory whereas the second campaign incorporates a loop closure. In the second campaign, the underlying AR framework successfully recognized the start location and correctly repositioned the device. Our results show that the absolute 3D accuracy of device tracking with a standard smartphone is around 1% of the travelled distance and that the local 3D accuracy reaches sub-decimetre level.04B - Beitrag KonferenzschriftPublikation Accurate visual localization in outdoor and indoor environments exploiting 3D image spaces as spatial reference(International Society for Photogrammetry and Remote Sensing, 2018) Rettenmund, Daniel; Fehr, Markus; Cavegn, Stefan; Nebiker, StephanIn this paper, we present a method for visual localization and pose estimation based on 3D image spaces. The method works in indoor and outdoor environments and does not require the presence of control points or markers. The method is evaluated with different sensors in an outdoor and an indoor test field. The results of our research show the viability of single image localization with absolute position accuracies at the decimetre level for outdoor environments and 5 cm or better for indoor environments. However, the evaluation also revealed a number of limitations of single image visual localization in real-world environments. Some of them could be addressed by an alternative AR-based localization approach, which we also present and compare in this paper. We then discuss the strengths and weaknesses of the two approaches and show possibilities for combining them to obtain accurate and robust visual localization in an absolute coordinate frame.04B - Beitrag KonferenzschriftPublikation Robust and accurate image-based georeferencing exploiting relative orientation constraints(Copernicus, 2018) Cavegn, Stefan; Blaser, S.; Nebiker, Stephan; Haala, N.Urban environments with extended areas of poor GNSS coverage as well as indoor spaces that often rely on real-time SLAM algorithms for camera pose estimation require sophisticated georeferencing in order to fulfill our high requirements of a few centimeters for absolute 3D point measurement accuracies. Since we focus on image-based mobile mapping, we extended the structure-from-motion pipeline COLMAP with georeferencing capabilities by integrating exterior orientation parameters from direct sensor orientation or SLAM as well as ground control points into bundle adjustment. Furthermore, we exploit constraints for relative orientation parameters among all cameras in bundle adjustment, which leads to a significant robustness and accuracy increase especially by incorporating highly redundant multi-view image sequences. We evaluated our integrated georeferencing approach on two data sets, one captured outdoors by a vehicle-based multi-stereo mobile mapping system and the other captured indoors by a portable panoramic mobile mapping system. We obtained mean RMSE values for check point residuals between image-based georeferencing and tachymetry of 2 cm in an indoor area, and 3 cm in an urban environment where the measurement distances are a multiple compared to indoors. Moreover, in comparison to a solely image-based procedure, our integrated georeferencing approach showed a consistent accuracy increase by a factor of 2–3 at our outdoor test site. Due to pre-calibrated relative orientation parameters, images of all camera heads were oriented correctly in our challenging indoor environment. By performing self-calibration of relative orientation parameters among respective cameras of our vehicle-based mobile mapping system, remaining inaccuracies from suboptimal test field calibration were successfully compensated.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Development of a portable high performance mobile mapping system using the robot operating system(Copernicus, 2018) Blaser, Stefan; Cavegn, Stefan; Nebiker, StephanThe rapid progression in digitalization in the construction industry and in facility management creates an enormous demand for the efficient and accurate reality capturing of indoor spaces. Cloud-based services based on georeferenced metric 3D imagery are already extensively used for infrastructure management in outdoor environments. The goal of our research is to enable such services for indoor applications as well. For this purpose, we designed a portable mobile mapping research platform with a strong focus on acquiring accurate 3D imagery. Our system consists of a multi-head panorama camera in combination with two multi-profile LiDAR scanners and a MEMS-based industrial grade IMU for LiDAR-based online and offline SLAM. Our modular implementation based on the Robot Operating System enables rapid adaptations of the sensor configuration and the acquisition software. The developed workflow provides for completely GNSS-independent data acquisition and camera pose estimation using LiDAR-based SLAM. Furthermore, we apply a novel image-based georeferencing approach for further improving camera poses. First performance evaluations show an improvement from LiDAR-based SLAM to image-based georeferencing by an order of magnitude: from 10–13 cm to 1.3–1.8 cm in absolute 3D point accuracy and from 8–12 cm to sub-centimeter in relative 3D point accuracy.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Portable image-based high performance mobile mapping system in underground environments. System configuration and performance evalutation.(Copernicus, 2019) Blaser, S.; Nebiker, Stephan; Wisler, D.The progression in urbanization increases the need for different types of underground infrastructure. Consequently, infrastructure and life cycle management are rapidly gaining in importance. Mobile reality capturing systems and cloud-based services exploiting georeferenced metric 3D imagery are already extensively used for infrastructure management in outdoor environments. These services minimise dangerous and expensive field visits or measurement campaigns. In this paper, we introduce the BIMAGE Backpack, a portable image-based mobile mapping system for 3D data acquisition in indoor environments. The system consists of a multi-head panorama camera, two multi-profile laser scanners and an inertial measurement unit. With this system, we carried out underground measurement campaigns in the Hagerbach Test Gallery, located in Flums Hochwiese, Switzerland. For our performance evaluations in two different tunnel sections, we employed LiDAR SLAM as well as advanced image-based georeferencing. The obtained absolute accuracies were in the range from 6.2 to 7.4 cm. The relative accuracy, which for many applications is even more important, was in the range of 2–6 mm. These figures demonstrate an accuracy improvement of the subsequent image-based georeferencing over LiDAR SLAM by about an order of magnitude. The investigations show the application potential of image-based portable mobile mapping systems for infrastructure inventory and management in large underground facilities.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Amtliches 3D-Bild - ein neuer Geodatentyp? - Studienauftrag(Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW, 12/2017) Nebiker, StephanDiese Studie im Auftrag der Strategiegruppe Amtliche Vermessung der Swisstopo und der CadastreSuisse soll das Potential eines neuen Datentyps «3D-Bild» und von darauf aufbauenden Geodiensten für die Amtliche Vermessung im Speziellen sowie die Geoinformationsbranche und die Gesellschaft im Allgemeinen aufzeigen. Die Studie bietet eine umfassende Auslegeordnung und eine fundierte Übersicht zur Thematik mit strategischen Anwendungspotentialen, Handlungsoptionen und Empfehlungen. Die Studie zeigt auf, dass die Hauptherausforderungen vor allem strategischer, wirtschaftlicher und politischer Art sind und dass die technische Machbarkeit bereits heute gegeben ist. Entsprechend liegt der Fokus auf der Beantwortung strategischer Fragen und auf dem Aufzeigen von Umsetzungsoptionen. Mit einem Normierungsvorschlag auf der Basis einer REST Schnittstelle wird ein möglicher Weg aufgezeigt. Das «Reality Capturing», d.h. die detaillierte, genaue und realitätsgetreue Erfassung der urbanen und ländlichen Umgebung, und die Schaffung cloudbasierter «Digitaler Realitäten» sind seit Kurzem im grossen Stil technologisch möglich. Die Entwicklung von Technologien und Services zum Aufbau und zur Nutzung digitaler Realitäten wird von Herstellern und Dienstleistern aktiv forciert und in zahlreichen Anwendungsbereichen rasch adaptiert. Zu den Schlüsselmärkten für digitale Realitäten gehören die Fahrzeugnavigation und das zukünftige autonome Fahren. Grosse Automobilkonzerne und Internetgiganten arbeiten mit einem gewaltigen Effort an der Realisierung globaler, detailreicher 3D-Karten auf der Basis mobil erfasster Geodaten – allerdings mit einem Fokus auf «3D-Karten für Maschinen». Die weiteren und für diese Studie besonders relevanten Schlüsselmärkte für digitale Realitäten sind das Ma-nagement und der Werterhalt in den Bereichen öffentliche Infrastruktur und Gebäude. Im Zentrum dieser Studie steht das «3D-Bild» als besonders vielversprechende Realisierungs-möglichkeit für digitalen Realitäten. In einem ersten Teil wird die Grundidee eines georeferen-zierten 3D-Bilds vorgestellt (Kap. 3) und ein Überblick über den aktuellen Stand der Forschung und der Technik gegeben (Kap. 5). Im zweiten Teil werden wichtige konzeptionelle und technische Aspekte zur Erfassung, Georeferenzierung, Speicherung und Nutzung von 3D-Bilddaten behandelt (Kap. 6) sowie konkrete Normierungsvorschläge für deren Nutzung präsentiert (Kap. 7). Im dritten Teil werden die wirtschaftlichen Aspekte: Märkte, Anwendungen, Nutzen und Wirtschaftlichkeit (Kap. 8) sowie organisatorische Aspekte wie mögliche Prozesse, Rollen und Betriebsmodelle sowie rechtliche Fragen erörtert (Kap. 9). In einem abschliessenden Kapitel werden die Relevanz der Thematik sowie die Chancen und Risiken für die Geomatikbranche insgesamt und die Amtliche Vermessung im Speziellen diskutiert. Die Studie zeigt, dass ein Datentyp «3D-Bild» und darauf aufbauende 3D-Bilddienste gut geeig-net sind, um eine einfach und sehr breit nutzbare digitale Realität für zahlreiche Anwendungs-bereiche aufzubauen und zu betreiben. 3D-Bilddienste sind technisch machbar, führen zu einer deutlichen Steigerung in der Produktivität und zu einem eigentlichen Paradigmenwechsel – be-dingt durch die Verlagerung von Feldarbeiten durch Vermessungsfachleute an den PC-Arbeits-platz der unterschiedlichen Fachspezialistinnen und –spezialisten. Erfahrungen mit bereits reali-sierten 3D-Bilddiensten zeigen Kosteneinsparungen in der Grössenordnung von 30-60% und Zeiteinsparungen von bis zu 70%. Hinzu kommt eine deutliche Verbesserung der Arbeitssicherheit durch das Wegfallen von Vermessungsarbeiten im Fahrbahnbereich. Wie die Studie aufzeigt, sind bereits heute zahlreiche konkrete Anwendungen von 3D-Bilddiens-ten im Aussenraum realisiert. Ein besonderes Potential dürften zukünftige Anwendungen im In-nenbereich haben, wie etwa die Baufortschrittsdokumentation, das Facility Management oder die Dokumentation von 3D-Grundeigentum. Die Zukunftsfähigkeit von 3D-Bilddiensten wird durch aktuelle Entwicklungen und Trends in der Forschung unterstrichen: so ist etwa zu erwarten, dass diese eine rein bildbasierte exakte Lokalisierung und vor allem auch Orientierung von Smartphones etc. ermöglichen werden. Damit dürften georeferenzierte 3D-Bilder die Geodatenbasis für völlig neue Anwendungen etwa im Bereich Augmented Reality schaffen. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Entwicklung cloud-basierter Geoinformationslösungen und georeferenzierter 3D-Bilddienste in vollem Gang ist und mit oder ohne Akteure aus der Geomatik oder der Amtlichen Vermessung stattfinden wird. Aufgrund ihrer Al-leinstellungsmerkmale wie Qualitätsverständnis, Erfahrung im Betrieb interoperabler und nach-haltiger Geodateninfrastrukturen und des Potentials zur Realisierung eigener neue Anwendungen überwiegen die Chancen für ein aktives Engagement der Geomatikbranche die Risiken des Abwartens oder Abseitsstehens bei weitem.05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation Geospatial Augmented Reality als interaktives Erlebnis im Museum am Beispiel der Swissarena App(Deutsche Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation, 06/2016) Wüest, Robert; Zwick, Michael; Nebiker, Stephan; Kersten, Thomas P.04B - Beitrag KonferenzschriftPublikation Verwendung der Augmented Reality Technologie als Kartenerweiterung(SIGImedia, 04/2016) Wüest, Robert; Zwick, Michael; Nebiker, Stephan01B - Beitrag in Magazin oder ZeitungPublikation Physical Database Design for Raster Images in CONCERT(Springer, 1997) Relly, Lukas; Henricsson, Olof; Nebiker, Stephan; Schek, Hans-Jörg04B - Beitrag KonferenzschriftPublikation Neue Entwicklungen im Bereich Virtueller Globen am Beispiel der i3D-Technologie(2010) Christen, Martin; Nebiker, Stephan04B - Beitrag Konferenzschrift