Nebiker, Stephan

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Nebiker
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Stephan
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Nebiker, Stephan

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    Publikation
    Implementation and first evaluation of an indoor mapping application using smartphones and frameworks
    (2019) Hasler, Oliver; Blaser, Stefan; Nebiker, Stephan [in: The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences]
    In 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 Konferenzschrift
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    Publikation
    Development of a portable high performance mobile mapping system using the robot operating system
    (Copernicus, 2018) Blaser, Stefan; Cavegn, Stefan; Nebiker, Stephan [in: ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences]
    The 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 Zeitschrift
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    Publikation
    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, Stephan [in: The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences]
    In 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 Konferenzschrift
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    Publikation
    Robust and accurate image-based georeferencing exploiting relative orientation constraints
    (Copernicus, 2018) Cavegn, Stefan; Blaser, S.; Nebiker, Stephan; Haala, N. [in: ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences]
    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 Zeitschrift
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    Publikation
    Amtliches 3D-Bild - ein neuer Geodatentyp? - Studienauftrag
    (Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW, 12/2017) Nebiker, Stephan
    Diese 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 Arbeitsbericht
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    Publikation
    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. [in: 36. Wissenschaftlich-Technische Jahrestagung der DGPF – Dreiländertagung der SGPF, DGPF und OVG, Bern]
    04B - Beitrag Konferenzschrift
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    Publikation
    Verwendung der Augmented Reality Technologie als Kartenerweiterung
    (SIGImedia, 04/2016) Wüest, Robert; Zwick, Michael; Nebiker, Stephan [in: Geomatik Schweiz]
    01B - Beitrag in Magazin oder Zeitung
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    Publikation
    Cloud-Based Geospatial 3D Image Spaces—A Powerful Urban Model for the Smart City
    (MDPI, 26.10.2015) Nebiker, Stephan; Cavegn, Stefan; Loesch, Benjamin [in: ISPRS International Journal of Geo-Information]
    In this paper, we introduce the concept and an implementation of geospatial 3D image spaces as new type of native urban models. 3D image spaces are based on collections of georeferenced RGB-D imagery. This imagery is typically acquired using multi-view stereo mobile mapping systems capturing dense sequences of street level imagery. Ideally, image depth information is derived using dense image matching. This delivers a very dense depth representation and ensures the spatial and temporal coherence of radiometric and depth data. This results in a high-definition WYSIWYG (“what you see is what you get”) urban model, which is intuitive to interpret and easy to interact with, and which provides powerful augmentation and 3D measuring capabilities. Furthermore, we present a scalable cloud-based framework for generating 3D image spaces of entire cities or states and a client architecture for their web-based exploitation. The model and the framework strongly support the smart city notion of efficiently connecting the urban environment and its processes with experts and citizens alike. In the paper we particularly investigate quality aspects of the urban model, namely the obtainable georeferencing accuracy and the quality of the depth map extraction. We show that our image-based georeferencing approach is capable of improving the original direct georeferencing accuracy by an order of magnitude and that the presented new multi-image matching approach is capable of providing high accuracies along with a significantly improved completeness of the depth maps.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift
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    Publikation
    Evaluation of Matching Strategies for Image-Based Mobile Mapping
    (09/2015) Cavegn, Stefan; Haala, Norbert; Nebiker, Stephan; Rothermel, Mathias; Zwölfer, Thomas [in: ISPRS Annals of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences]
    The paper presents the implementation of a dense multi-view stereo matching pipeline for the evaluation of image sequences from a camera-based mobile mapping system. For this purpose the software system SURE is taken as a basis. Originally this system was developed to provide 3D point clouds or DEM from standard airborne and terrestrial image blocks. Since mobile mapping scenarios typically include stereo configurations with camera motion predominantly in viewing direction, processing steps like image rectification and structure computation of the existing processing pipeline had to be adapted. The presented investigations are based on imagery captured by the mobile mapping system of the Institute of Geomatics Engineering in the city center of Basel, Switzerland. For evaluation, reference point clouds from terrestrial laser scanning are used. Our first results already demonstrate a considerable increase in reliability and completeness of both depth maps and point clouds as result of the matching process.
    04B - Beitrag Konferenzschrift
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    Publikation
    Visualisation of Complex 3D City Models on Mobile Webbrowsers Using Cloud-Based Image Provisioning
    (Copernicus Publications, 2015) Christen, Martin; Nebiker, Stephan [in: ISPRS Annals of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences]
    Rendering large city models with high polygon count and a vast amount of textures at interactive frame rates is a rather difficult to impossible task as it highly depends on the client hardware, which is often insufficient, even if out-of-core rendering techniques and level of detail approaches are used. Rendering complex city models on mobile devices is even more challenging. An approach of rendering and caching very large city models in the cloud using ray-tracing based image provisioning is introduced. This allows rendering large scenes efficiently, including on mobile devices. With this approach, it is possible to render cities with nearly unlimited number of polygons and textures.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift