Combining Features and Semantics for Low-level Computer Vision

Visual perception of depth and motion plays a significant role in understanding and navigating the environment. Reconstructing outdoor scenes in 3D and estimating the motion from video cameras are of utmost importance for applications like autonomous driving. The corresponding problems in computer vision have witnessed tremendous progress over the last decades, yet some aspects still remain challenging today. Striking examples are reflecting and textureless surfaces or large motions which cannot be easily recovered using traditional local methods. Further challenges include occlusions, large distortions and difficult lighting conditions. In this thesis, we propose to overcome these challenges by modeling non-local interactions leveraging semantics and contextual information. Firstly, for binocular stereo estimation, we propose to regularize over larger areas on the image using object-category specific disparity proposals which we sample using inverse graphics techniques based on a sparse disparity estimate and a semantic segmentation of the image. The disparity proposals encode the fact that objects of certain categories are not arbitrarily shaped but typically exhibit regular structures. We integrate them as non-local regularizer for the challenging object class 'car' into a superpixel-based graphical model and demonstrate its benefits especially in reflective regions. Secondly, for 3D reconstruction, we leverage the fact that the larger the reconstructed area, the more likely objects of similar type and shape will occur in the scene. This is particularly true for outdoor scenes where buildings and vehicles often suffer from missing texture or reflections, but share similarity in 3D shape. We take advantage of this shape similarity by localizing objects using detectors and jointly reconstructing them while learning a volumetric model of their shape. This allows to reduce noise while completing missing surfaces as objects of similar shape benefit from all observations for the respective category. Evaluations with respect to LIDAR ground-truth on a novel challenging suburban dataset show the advantages of modeling structural dependencies between objects. Finally, motivated by the success of deep learning techniques in matching problems, we present a method for learning context-aware features for solving optical flow using discrete optimization. Towards this goal, we present an efficient way of training a context network with a large receptive field size on top of a local network using dilated convolutions on patches. We perform feature matching by comparing each pixel in the reference image to every pixel in the target image, utilizing fast GPU matrix multiplication. The matching cost volume from the network's output forms the data term for discrete MAP inference in a pairwise Markov random field. Extensive evaluations reveal the importance of context for feature matching.Die visuelle Wahrnehmung von Tiefe und Bewegung spielt eine wichtige Rolle bei dem Verständnis und der Navigation in unserer Umwelt. Die 3D Rekonstruktion von Szenen im Freien und die Schätzung der Bewegung von Videokameras sind von größter Bedeutung für Anwendungen, wie das autonome Fahren. Die Erforschung der entsprechenden Probleme des maschinellen Sehens hat in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht, jedoch bleiben einige Aspekte heute noch ungelöst. Beispiele hierfür sind reflektierende und texturlose Oberflächen oder große Bewegungen, bei denen herkömmliche lokale Methoden häufig scheitern. Weitere Herausforderungen sind niedrige Bildraten, Verdeckungen, große Verzerrungen und schwierige Lichtverhältnisse. In dieser Arbeit schlagen wir vor nicht-lokale Interaktionen zu modellieren, die semantische und kontextbezogene Informationen nutzen, um diese Herausforderungen zu meistern. Für die binokulare Stereo Schätzung schlagen wir zuallererst vor zusammenhängende Bereiche mit objektklassen-spezifischen Disparitäts Vorschlägen zu regularisieren, die wir mit inversen Grafik Techniken auf der Grundlage einer spärlichen Disparitätsschätzung und semantischen Segmentierung des Bildes erhalten. Die Disparitäts Vorschläge kodieren die Tatsache, dass die Gegenstände bestimmter Kategorien nicht willkürlich geformt sind, sondern typischerweise regelmäßige Strukturen aufweisen. Wir integrieren sie für die komplexe Objektklasse 'Auto' in Form eines nicht-lokalen Regularisierungsterm in ein Superpixel-basiertes grafisches Modell und zeigen die Vorteile vor allem in reflektierenden Bereichen. Zweitens nutzen wir für die 3D-Rekonstruktion die Tatsache, dass mit der Größe der rekonstruierten Fläche auch die Wahrscheinlichkeit steigt, Objekte von ähnlicher Art und Form in der Szene zu enthalten. Dies gilt besonders für Szenen im Freien, in denen Gebäude und Fahrzeuge oft vorkommen, die unter fehlender Textur oder Reflexionen leiden aber ähnlichkeit in der Form aufweisen. Wir nutzen diese ähnlichkeiten zur Lokalisierung von Objekten mit Detektoren und zur gemeinsamen Rekonstruktion indem ein volumetrisches Modell ihrer Form erlernt wird. Dies ermöglicht auftretendes Rauschen zu reduzieren, während fehlende Flächen vervollständigt werden, da Objekte ähnlicher Form von allen Beobachtungen der jeweiligen Kategorie profitieren. Die Evaluierung auf einem neuen, herausfordernden vorstädtischen Datensatz in Anbetracht von LIDAR-Entfernungsdaten zeigt die Vorteile der Modellierung von strukturellen Abhängigkeiten zwischen Objekten. Zuletzt, motiviert durch den Erfolg von Deep Learning Techniken bei der Mustererkennung, präsentieren wir eine Methode zum Erlernen von kontextbezogenen Merkmalen zur Lösung des optischen Flusses mittels diskreter Optimierung. Dazu stellen wir eine effiziente Methode vor um zusätzlich zu einem Lokalen Netzwerk ein Kontext-Netzwerk zu erlernen, das mit Hilfe von erweiterter Faltung auf Patches ein großes rezeptives Feld besitzt. Für das Feature Matching vergleichen wir mit schnellen GPU-Matrixmultiplikation jedes Pixel im Referenzbild mit jedem Pixel im Zielbild. Das aus dem Netzwerk resultierende Matching Kostenvolumen bildet den Datenterm für eine diskrete MAP Inferenz in einem paarweisen Markov Random Field. Eine umfangreiche Evaluierung zeigt die Relevanz des Kontextes für das Feature Matching

Using Linear Features for Aerial Image Sequence Mosaiking

With recent advances in sensor technology and digital image processing techniques, automatic image mosaicking has received increased attention in a variety of geospatial applications, ranging from panorama generation and video surveillance to image based rendering. The geometric transformation used to link images in a mosaic is the subject of image orientation, a fundamental photogrammetric task that represents a major research area in digital image analysis. It involves the determination of the parameters that express the location and pose of a camera at the time it captured an image. In aerial applications the typical parameters comprise two translations (along the x and y coordinates) and one rotation (rotation about the z axis). Orientation typically proceeds by extracting from an image control points, i.e. points with known coordinates. Salient points such as road intersections, and building corners are commonly used to perform this task. However, such points may contain minimal information other than their radiometric uniqueness, and, more importantly, in some areas they may be impossible to obtain (e.g. in rural and arid areas). To overcome this problem we introduce an alternative approach that uses linear features such as roads and rivers for image mosaicking. Such features are identified and matched to their counterparts in overlapping imagery. Our matching approach uses critical points (e.g. breakpoints) of linear features and the information conveyed by them (e.g. local curvature values and distance metrics) to match two such features and orient the images in which they are depicted. In this manner we orient overlapping images by comparing breakpoint representations of complete or partial linear features depicted in them. By considering broader feature metrics (instead of single points) in our matching scheme we aim to eliminate the effect of erroneous point matches in image mosaicking. Our approach does not require prior approximate parameters, which are typically an essential requirement for successful convergence of point matching schemes. Furthermore, we show that large rotation variations about the z-axis may be recovered. With the acquired orientation parameters, image sequences are mosaicked. Experiments with synthetic aerial image sequences are included in this thesis to demonstrate the performance of our approach

Novel Methods and Algorithms for Presenting 3D Scenes

In recent years, improvements in the acquisition and creation of 3D models gave rise to an increasing availability of 3D content and to a widening of the audience such content is created for, which brought into focus the need for effective ways to visualize and interact with it. Until recently, the task of virtual inspection of a 3D object or navigation inside a 3D scene was carried out by using human machine interaction (HMI) metaphors controlled through mouse and keyboard events. However, this interaction approach may be cumbersome for the general audience. Furthermore, the inception and spread of touch-based mobile devices, such as smartphones and tablets, redefined the interaction problem entirely, since neither mouse nor keyboards are available anymore. The problem is made even worse by the fact that these devices are typically lower power if compared to desktop machines, while high-quality rendering is a computationally intensive task. In this thesis, we present a series of novel methods for the easy presentation of 3D content both when it is already available in a digitized form and when it must be acquired from the real world by image-based techniques. In the first case, we propose a method which takes as input the 3D scene of interest and an example video, and it automatically produces a video of the input scene that resembles the given video example. In other words, our algorithm allows the user to replicate an existing video, for example, a video created by a professional animator, on a different 3D scene. In the context of image-based techniques, exploiting the inherent spatial organization of photographs taken for the 3D reconstruction of a scene, we propose an intuitive interface for the smooth stereoscopic navigation of the acquired scene providing an immersive experience without the need of a complete 3D reconstruction. Finally, we propose an interactive framework for improving low-quality 3D reconstructions obtained through image-based reconstruction algorithms. Using few strokes on the input images, the user can specify high-level geometric hints to improve incomplete or noisy reconstructions which are caused by various quite common conditions often arising for objects such as buildings, streets and numerous other human-made functional elements

Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet

Recent Progress in Image Deblurring

This paper comprehensively reviews the recent development of image deblurring, including non-blind/blind, spatially invariant/variant deblurring techniques. Indeed, these techniques share the same objective of inferring a latent sharp image from one or several corresponding blurry images, while the blind deblurring techniques are also required to derive an accurate blur kernel. Considering the critical role of image restoration in modern imaging systems to provide high-quality images under complex environments such as motion, undesirable lighting conditions, and imperfect system components, image deblurring has attracted growing attention in recent years. From the viewpoint of how to handle the ill-posedness which is a crucial issue in deblurring tasks, existing methods can be grouped into five categories: Bayesian inference framework, variational methods, sparse representation-based methods, homography-based modeling, and region-based methods. In spite of achieving a certain level of development, image deblurring, especially the blind case, is limited in its success by complex application conditions which make the blur kernel hard to obtain and be spatially variant. We provide a holistic understanding and deep insight into image deblurring in this review. An analysis of the empirical evidence for representative methods, practical issues, as well as a discussion of promising future directions are also presented.Comment: 53 pages, 17 figure

State of the Art in Face Recognition

Notwithstanding the tremendous effort to solve the face recognition problem, it is not possible yet to design a face recognition system with a potential close to human performance. New computer vision and pattern recognition approaches need to be investigated. Even new knowledge and perspectives from different fields like, psychology and neuroscience must be incorporated into the current field of face recognition to design a robust face recognition system. Indeed, many more efforts are required to end up with a human like face recognition system. This book tries to make an effort to reduce the gap between the previous face recognition research state and the future state