Nebiker, Stephan

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Nebiker, Stephan

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Outdoor mobile mapping and AI-based 3D object detection with low-cost RGB-D cameras. The use case of on-street parking statistics

2021-08-05, Nebiker, Stephan, Meyer, Jonas, Blaser, Stefan, Ammann, Manuela, Rhyner, Severin

A successful application of low-cost 3D cameras in combination with artificial intelligence (AI)-based 3D object detection algorithms to outdoor mobile mapping would offer great potential for numerous mapping, asset inventory, and change detection tasks in the context of smart cities. This paper presents a mobile mapping system mounted on an electric tricycle and a procedure for creating on-street parking statistics, which allow government agencies and policy makers to verify and adjust parking policies in different city districts. Our method combines georeferenced red-green-blue-depth (RGB-D) imagery from two low-cost 3D cameras with state-of-the-art 3D object detection algorithms for extracting and mapping parked vehicles. Our investigations demonstrate the suitability of the latest generation of low-cost 3D cameras for real-world outdoor applications with respect to supported ranges, depth measurement accuracy, and robustness under varying lighting conditions. In an evaluation of suitable algorithms for detecting vehicles in the noisy and often incomplete 3D point clouds from RGB-D cameras, the 3D object detection network PointRCNN, which extends region-based convolutional neural networks (R-CNNs) to 3D point clouds, clearly outperformed all other candidates. The results of a mapping mission with 313 parking spaces show that our method is capable of reliably detecting parked cars with a precision of 100% and a recall of 97%. It can be applied to unslotted and slotted parking and different parking types including parallel, perpendicular, and angle parking.

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Geospatial Augmented Reality als interaktives Erlebnis im Museum am Beispiel der Swissarena App

2016-06, Wüest, Robert, Zwick, Michael, Nebiker, Stephan, Kersten, Thomas P.

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Evaluation of Matching Strategies for Image-Based Mobile Mapping

2015-09, Cavegn, Stefan, Haala, Norbert, Nebiker, Stephan, Rothermel, Mathias, Zwölfer, Thomas

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.

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Geometrie- und farbbasierte Punktwolkenklassifizierung von komplexen urbanen Laserscanningszenen mittels überwachter SOM-Klassifikation

2013, Matti, Eric, Nebiker, Stephan

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Image-based reality-capturing and 3D modelling for the creation of VR cycling simulations

2021-06-17, Wahbeh, Wissam, Ammann, Manuela, Nebiker, Stephan, van Eggermond, Michael, Erath, Alexander, Wahbeh, Wissam

With this paper, we present a novel approach for efficiently creating reality-based, high-fidelity urban 3D models for interactive VR cycling simulations. The foundation of these 3D models is accurately georeferenced street-level imagery, which can be captured using vehicle-based or portable mapping platforms. Depending on the desired type of urban model, the street-level imagery is either used for semi-automatically texturing an existing city model or for automatically creating textured 3D meshes from multi-view reconstructions using commercial off-the-shelf software. The resulting textured urban 3D model is then integrated with a real-time traffic simulation solution to create a VR framework based on the Unity game engine. Subsequently, the resulting urban scenes and different planning scenarios can be explored on a physical cycling simulator using a VR helmet or viewed as a 360-degree or conventional video. In addition, the VR environment can be used for augmented reality applications, e.g., mobile augmented reality maps. We apply this framework to a case study in the city of Berne to illustrate design variants of new cycling infrastructure at a major traffic junction to collect feedback from practitioners about the potential for practical applications in planning processes.

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Verwendung der Augmented Reality Technologie als Kartenerweiterung

2016-04, Wüest, Robert, Zwick, Michael, Nebiker, Stephan

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Visualisation of Complex 3D City Models on Mobile Webbrowsers Using Cloud-Based Image Provisioning

2015, Christen, Martin, Nebiker, Stephan

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.

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Amtliches 3D-Bild - ein neuer Geodatentyp? - Studienauftrag

2017-12, 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.

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Cloud-Based Geospatial 3D Image Spaces—A Powerful Urban Model for the Smart City

2015-10-26, Nebiker, Stephan, Cavegn, Stefan, Loesch, Benjamin

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.

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Benchmarking High Density Image Matching for Oblique Airborne Imagery

2014-09, Cavegn, Stefan, Haala, Norbert, Nebiker, Stephan, Rothermel, Mathias, Tutzauer, Patrick

Both, improvements in camera technology and new pixel-wise matching approaches triggered the further development of software tools for image based 3D reconstruction. Meanwhile research groups as well as commercial vendors provide photogrammetric software to generate dense, reliable and accurate 3D point clouds and Digital Surface Models (DSM) from highly overlapping aerial images. In order to evaluate the potential of these algorithms in view of the ongoing software developments, a suitable test bed is provided by the ISPRS/EuroSDR initiative Benchmark on High Density Image Matching for DSM Computation. This paper discusses the proposed test scenario to investigate the potential of dense matching approaches for 3D data capture from oblique airborne imagery. For this purpose, an oblique aerial image block captured at a GSD of 6 cm in the west of Zürich by a Leica RCD30 Oblique Penta camera is used. Within this paper, the potential test scenario is demonstrated using matching results from two software packages, Agisoft PhotoScan and SURE from University of Stuttgart. As oblique images are frequently used for data capture at building facades, 3D point clouds are mainly investigated at such areas. Reference data from terrestrial laser scanning is used to evaluate data quality from dense image matching for several facade patches with respect to accuracy, density and reliability.