Proceedings of the 26th International Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS'09)

The Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS) is held alternately in France and in Germany. The conference of February 26-28, 2009, held in Freiburg, is the 26th in this series. Previous meetings took place in Paris (1984), Saarbr¨ucken (1985), Orsay (1986), Passau (1987), Bordeaux (1988), Paderborn (1989), Rouen (1990), Hamburg (1991), Cachan (1992), W¨urzburg (1993), Caen (1994), M¨unchen (1995), Grenoble (1996), L¨ubeck (1997), Paris (1998), Trier (1999), Lille (2000), Dresden (2001), Antibes (2002), Berlin (2003), Montpellier (2004), Stuttgart (2005), Marseille (2006), Aachen (2007), and Bordeaux (2008). ..

The Tensor Networks Anthology: Simulation techniques for many-body quantum lattice systems

We present a compendium of numerical simulation techniques, based on tensor network methods, aiming to address problems of many-body quantum mechanics on a classical computer. The core setting of this anthology are lattice problems in low spatial dimension at finite size, a physical scenario where tensor network methods, both Density Matrix Renormalization Group and beyond, have long proven to be winning strategies. Here we explore in detail the numerical frameworks and methods employed to deal with low-dimension physical setups, from a computational physics perspective. We focus on symmetries and closed-system simulations in arbitrary boundary conditions, while discussing the numerical data structures and linear algebra manipulation routines involved, which form the core libraries of any tensor network code. At a higher level, we put the spotlight on loop-free network geometries, discussing their advantages, and presenting in detail algorithms to simulate low-energy equilibrium states. Accompanied by discussions of data structures, numerical techniques and performance, this anthology serves as a programmer's companion, as well as a self-contained introduction and review of the basic and selected advanced concepts in tensor networks, including examples of their applications.Comment: 115 pages, 56 figure

TOWARD 3D RECONSTRUCTION OF STATIC AND DYNAMIC OBJECTS

The goal of image-based 3D reconstruction is to construct a spatial understanding of the world from a collection of images. For applications that seek to model generic real-world scenes, it is important that the reconstruction methods used are able to characterize both static scene elements (e.g. trees and buildings) as well as dynamic objects (e.g. cars and pedestrians). However, due to many inherent ambiguities in the reconstruction problem, recovering this 3D information with accuracy, robustness, and efficiency is a considerable challenge. To advance the research frontier for image-based 3D modeling, this dissertation focuses on three challenging problems in static scene and dynamic object reconstruction. We first target the problem of static scene depthmap estimation from crowd-sourced datasets (i.e. photos collected from the Internet). While achieving high-quality depthmaps using images taken under a controlled environment is already a difficult task, heterogeneous crowd-sourced data presents a unique set of challenges for multi-view depth estimation, including varying illumination and occasional occlusions. We propose a depthmap estimation method that demonstrates high accuracy, robustness, and scalability on a large number of photos collected from the Internet. Compared to static scene reconstruction, the problem of dynamic object reconstruction from monocular images is fundamentally ambiguous when not imposing any additional assumptions. This is because having only a single observation of an object is insufficient for valid 3D triangulation, which typically requires concurrent observations of the object from multiple viewpoints. Assuming that dynamic objects of the same class (e.g. all the pedestrians walking on a sidewalk) move in a common path in the real world, we develop a method that estimates the 3D positions of the dynamic objects from unstructured monocular images. Experiments on both synthetic and real datasets illustrate the solvability of the problem and the effectiveness of our approach. Finally, we address the problem of dynamic object reconstruction from a set of unsynchronized videos capturing the same dynamic event. This problem is of great interest because, due to the increased availability of portable capture devices, captures using multiple unsynchronized videos are common in the real world. To resolve the challenges that arises from non-concurrent captures and unknown temporal overlap among video streams, we propose a self-expressive dictionary learning framework, where the dictionary entries are defined as the collection of temporally varying structures. Experiments demonstrate the effectiveness of this approach to the previously unsolved problem.Doctor of Philosoph

Efficient Algorithms for Large-Scale Image Analysis

This work develops highly efficient algorithms for analyzing large images. Applications include object-based change detection and screening. The algorithms are 10-100 times as fast as existing software, sometimes even outperforming FGPA/GPU hardware, because they are designed to suit the computer architecture. This thesis describes the implementation details and the underlying algorithm engineering methodology, so that both may also be applied to other applications

Visual Data Representation using Context-Aware Samples

The rapid growth in the complexity of geometry models has necessisated revision of several conventional techniques in computer graphics. At the heart of this trend is the representation of geometry with locally constant approximations using independent sample primitives. This generally leads to a higher sampling rate and thus a high cost of representation, transmission, and rendering. We advocate an alternate approach involving context-aware samples that capture the local variation of the geometry. We detail two approaches; one, based on differential geometry and the other based on statistics. Our differential-geometry-based approach captures the context of the local geometry using an estimation of the local Taylor's series expansion. We render such samples using programmable Graphics Processing Unit (GPU) by fast approximation of the geometry in the screen space. The benefits of this representation can also be seen in other applications such as simulation of light transport. In our statistics-based approach we capture the context of the local geometry using Principal Component Analysis (PCA). This allows us to achieve hierarchical detail by modeling the geometry in a non-deterministic fashion as a hierarchical probability distribution. We approximate the geometry and its attributes using quasi-random sampling. Our results show a significant rendering speedup and savings in the geometric bandwidth when compared to current approaches

Place and Object Recognition for Real-time Visual Mapping

Este trabajo aborda dos de las principales dificultades presentes en los sistemas actuales de localización y creación de mapas de forma simultánea (del inglés Simultaneous Localization And Mapping, SLAM): el reconocimiento de lugares ya visitados para cerrar bucles en la trajectoria y crear mapas precisos, y el reconocimiento de objetos para enriquecer los mapas con estructuras de alto nivel y mejorar la interación entre robots y personas. En SLAM visual, las características que se extraen de las imágenes de una secuencia de vídeo se van acumulando con el tiempo, haciendo más laboriosos dos de los aspectos de la detección de bucles: la eliminación de los bucles incorrectos que se detectan entre lugares que tienen una apariencia muy similar, y conseguir un tiempo de ejecución bajo y factible en trayectorias largas. En este trabajo proponemos una técnica basada en vocabularios visuales y en bolsas de palabras para detectar bucles de manera robusta y eficiente, centrándonos en dos ideas principales: 1) aprovechar el origen secuencial de las imágenes de vídeo, y 2) hacer que todo el proceso pueda funcionar a frecuencia de vídeo. Para beneficiarnos del origen secuencial de las imágenes, presentamos una métrica de similaridad normalizada para medir el parecido entre imágenes e incrementar la distintividad de las detecciones correctas. A su vez, agrupamos los emparejamientos de imágenes candidatas a ser bucle para evitar que éstas compitan cuando realmente fueron tomadas desde el mismo lugar. Finalmente, incorporamos una restricción temporal para comprobar la coherencia entre detecciones consecutivas. La eficiencia se logra utilizando índices inversos y directos y características binarias. Un índice inverso acelera la comparación entre imágenes de lugares, y un índice directo, el cálculo de correspondencias de puntos entre éstas. Por primera vez, en este trabajo se han utilizado características binarias para detectar bucles, dando lugar a una solución viable incluso hasta para decenas de miles de imágenes. Los bucles se verifican comprobando la coherencia de la geometría de las escenas emparejadas. Para ello utilizamos varios métodos robustos que funcionan tanto con una como con múltiples cámaras. Presentamos resultados competitivos y sin falsos positivos en distintas secuencias, con imágenes adquiridas tanto a alta como a baja frecuencia, con cámaras frontales y laterales, y utilizando el mismo vocabulario y la misma configuración. Con descriptores binarios, el sistema completo requiere 22 milisegundos por imagen en una secuencia de 26.300 imágenes, resultando un orden de magnitud más rápido que otras técnicas actuales. Se puede utilizar un algoritmo similar al de reconocimiento de lugares para resolver el reconocimiento de objetos en SLAM visual. Detectar objetos en este contexto es particularmente complicado debido a que las distintas ubicaciones, posiciones y tamaños en los que se puede ver un objeto en una imagen son potencialmente infinitos, por lo que suelen ser difíciles de distinguir. Además, esta complejidad se multiplica cuando la comparación ha de hacerse contra varios objetos 3D. Nuestro esfuerzo en este trabajo está orientado a: 1) construir el primer sistema de SLAM visual que puede colocar objectos 3D reales en el mapa, y 2) abordar los problemas de escalabilidad resultantes al tratar con múltiples objetos y vistas de éstos. En este trabajo, presentamos el primer sistema de SLAM monocular que reconoce objetos 3D, los inserta en el mapa y refina su posición en el espacio 3D a medida que el mapa se va construyendo, incluso cuando los objetos dejan de estar en el campo de visión de la cámara. Esto se logra en tiempo real con modelos de objetos compuestos por información tridimensional y múltiples imágenes representando varios puntos de vista del objeto. Después nos centramos en la escalabilidad de la etapa del reconocimiento de los objetos 3D. Presentamos una técnica rápida para segmentar imágenes en regiones de interés para detectar objetos pequeños o lejanos. Tras ello, proponemos sustituir el modelo de objetos de vistas independientes por un modelado con una única bolsa de palabras de características binarias asociadas a puntos 3D. Creamos también una base de datos que incorpora índices inversos y directos para aprovechar sus ventajas a la hora de recuperar rápidamente tanto objetos candidatos a ser detectados como correspondencias de puntos, tal y como hacían en el caso de la detección de bucles. Los resultados experimentales muestran que nuestro sistema funciona en tiempo real en un entorno de escritorio con cámara en mano y en una habitación con una cámara montada sobre un robot autónomo. Las mejoras en el proceso de reconocimiento obtienen resultados satisfactorios, sin detecciones erróneas y con un tiempo de ejecución medio de 28 milisegundos por imagen con una base de datos de 20 objetos 3D

LIPIcs, Volume 274, ESA 2023, Complete Volume

LIPIcs, Volume 274, ESA 2023, Complete Volum