3D Shape Segmentation with Projective Convolutional Networks

This paper introduces a deep architecture for segmenting 3D objects into their labeled semantic parts. Our architecture combines image-based Fully Convolutional Networks (FCNs) and surface-based Conditional Random Fields (CRFs) to yield coherent segmentations of 3D shapes. The image-based FCNs are used for efficient view-based reasoning about 3D object parts. Through a special projection layer, FCN outputs are effectively aggregated across multiple views and scales, then are projected onto the 3D object surfaces. Finally, a surface-based CRF combines the projected outputs with geometric consistency cues to yield coherent segmentations. The whole architecture (multi-view FCNs and CRF) is trained end-to-end. Our approach significantly outperforms the existing state-of-the-art methods in the currently largest segmentation benchmark (ShapeNet). Finally, we demonstrate promising segmentation results on noisy 3D shapes acquired from consumer-grade depth cameras.Comment: This is an updated version of our CVPR 2017 paper. We incorporated new experiments that demonstrate ShapePFCN performance under the case of consistent *upright* orientation and an additional input channel in our rendered images for encoding height from the ground plane (upright axis coordinate values). Performance is improved in this settin

Learning Material-Aware Local Descriptors for 3D Shapes

Material understanding is critical for design, geometric modeling, and analysis of functional objects. We enable material-aware 3D shape analysis by employing a projective convolutional neural network architecture to learn material- aware descriptors from view-based representations of 3D points for point-wise material classification or material- aware retrieval. Unfortunately, only a small fraction of shapes in 3D repositories are labeled with physical mate- rials, posing a challenge for learning methods. To address this challenge, we crowdsource a dataset of 3080 3D shapes with part-wise material labels. We focus on furniture models which exhibit interesting structure and material variabil- ity. In addition, we also contribute a high-quality expert- labeled benchmark of 115 shapes from Herman-Miller and IKEA for evaluation. We further apply a mesh-aware con- ditional random field, which incorporates rotational and reflective symmetries, to smooth our local material predic- tions across neighboring surface patches. We demonstrate the effectiveness of our learned descriptors for automatic texturing, material-aware retrieval, and physical simulation. The dataset and code will be publicly available.Comment: 3DV 201

Efficient Dense Registration, Segmentation, and Modeling Methods for RGB-D Environment Perception

One perspective for artificial intelligence research is to build machines that perform tasks autonomously in our complex everyday environments. This setting poses challenges to the development of perception skills: A robot should be able to perceive its location and objects in its surrounding, while the objects and the robot itself could also be moving. Objects may not only be composed of rigid parts, but could be non-rigidly deformable or appear in a variety of similar shapes. Furthermore, it could be relevant to the task to observe object semantics. For a robot acting fluently and immediately, these perception challenges demand efficient methods. This theses presents novel approaches to robot perception with RGB-D sensors. It develops efficient registration, segmentation, and modeling methods for scene and object perception. We propose multi-resolution surfel maps as a concise representation for RGB-D measurements. We develop probabilistic registration methods that handle rigid scenes, scenes with multiple rigid parts that move differently, and scenes that undergo non-rigid deformations. We use these methods to learn and perceive 3D models of scenes and objects in both static and dynamic environments. For learning models of static scenes, we propose a real-time capable simultaneous localization and mapping approach. It aligns key views in RGB-D video using our rigid registration method and optimizes the pose graph of the key views. The acquired models are then perceived in live images through detection and tracking within a Bayesian filtering framework. An assumption frequently made for environment mapping is that the observed scene remains static during the mapping process. Through rigid multi-body registration, we take advantage of releasing this assumption: Our registration method segments views into parts that move independently between the views and simultaneously estimates their motion. Within simultaneous motion segmentation, localization, and mapping, we separate scenes into objects by their motion. Our approach acquires 3D models of objects and concurrently infers hierarchical part relations between them using probabilistic reasoning. It can be applied for interactive learning of objects and their part decomposition. Endowing robots with manipulation skills for a large variety of objects is a tedious endeavor if the skill is programmed for every instance of an object class. Furthermore, slight deformations of an instance could not be handled by an inflexible program. Deformable registration is useful to perceive such shape variations, e.g., between specific instances of a tool. We develop an efficient deformable registration method and apply it for the transfer of robot manipulation skills between varying object instances. On the object-class level, we segment images using random decision forest classifiers in real-time. The probabilistic labelings of individual images are fused in 3D semantic maps within a Bayesian framework. We combine our object-class segmentation method with simultaneous localization and mapping to achieve online semantic mapping in real-time. The methods developed in this thesis are evaluated in experiments on publicly available benchmark datasets and novel own datasets. We publicly demonstrate several of our perception approaches within integrated robot systems in the mobile manipulation context.Effiziente Dichte Registrierungs-, Segmentierungs- und Modellierungsmethoden für die RGB-D Umgebungswahrnehmung In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Herausforderungen der visuellen Wahrnehmung für intelligente Roboter in Alltagsumgebungen. Solche Roboter sollen sich selbst in ihrer Umgebung zurechtfinden, und Wissen über den Verbleib von Objekten erwerben können. Die Schwierigkeit dieser Aufgaben erhöht sich in dynamischen Umgebungen, in denen ein Roboter die Bewegung einzelner Teile differenzieren und auch wahrnehmen muss, wie sich diese Teile bewegen. Bewegt sich ein Roboter selbständig in dieser Umgebung, muss er auch seine eigene Bewegung von der Veränderung der Umgebung unterscheiden. Szenen können sich aber nicht nur durch die Bewegung starrer Teile verändern. Auch die Teile selbst können ihre Form in nicht-rigider Weise ändern. Eine weitere Herausforderung stellt die semantische Interpretation von Szenengeometrie und -aussehen dar. Damit intelligente Roboter unmittelbar und flüssig handeln können, sind effiziente Algorithmen für diese Wahrnehmungsprobleme erforderlich. Im ersten Teil dieser Arbeit entwickeln wir effiziente Methoden zur Repräsentation und Registrierung von RGB-D Messungen. Zunächst stellen wir Multi-Resolutions-Oberflächenelement-Karten (engl. multi-resolution surfel maps, MRSMaps) als eine kompakte Repräsentation von RGB-D Messungen vor, die unseren effizienten Registrierungsmethoden zugrunde liegt. Bilder können effizient in dieser Repräsentation aggregiert werde, wobei auch mehrere Bilder aus verschiedenen Blickpunkten integriert werden können, um Modelle von Szenen und Objekte aus vielfältigen Ansichten darzustellen. Für die effiziente, robuste und genaue Registrierung von MRSMaps wird eine Methode vorgestellt, die Rigidheit der betrachteten Szene voraussetzt. Die Registrierung schätzt die Kamerabewegung zwischen den Bildern und gewinnt ihre Effizienz durch die Ausnutzung der kompakten multi-resolutionalen Darstellung der Karten. Die Registrierungsmethode erzielt hohe Bildverarbeitungsraten auf einer CPU. Wir demonstrieren hohe Effizienz, Genauigkeit und Robustheit unserer Methode im Vergleich zum bisherigen Stand der Forschung auf Vergleichsdatensätzen. In einem weiteren Registrierungsansatz lösen wir uns von der Annahme, dass die betrachtete Szene zwischen Bildern statisch ist. Wir erlauben nun, dass sich rigide Teile der Szene bewegen dürfen, und erweitern unser rigides Registrierungsverfahren auf diesen Fall. Unser Ansatz segmentiert das Bild in Bereiche einzelner Teile, die sich unterschiedlich zwischen Bildern bewegen. Wir demonstrieren hohe Segmentierungsgenauigkeit und Genauigkeit in der Bewegungsschätzung unter Echtzeitbedingungen für die Verarbeitung. Schließlich entwickeln wir ein Verfahren für die Wahrnehmung von nicht-rigiden Deformationen zwischen zwei MRSMaps. Auch hier nutzen wir die multi-resolutionale Struktur in den Karten für ein effizientes Registrieren von grob zu fein. Wir schlagen Methoden vor, um aus den geschätzten Deformationen die lokale Bewegung zwischen den Bildern zu berechnen. Wir evaluieren Genauigkeit und Effizienz des Registrierungsverfahrens. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Verwendung unserer Kartenrepräsentation und Registrierungsmethoden für die Wahrnehmung von Szenen und Objekten. Wir verwenden MRSMaps und unsere rigide Registrierungsmethode, um dichte 3D Modelle von Szenen und Objekten zu lernen. Die räumlichen Beziehungen zwischen Schlüsselansichten, die wir durch Registrierung schätzen, werden in einem Simultanen Lokalisierungs- und Kartierungsverfahren (engl. simultaneous localization and mapping, SLAM) gegeneinander abgewogen, um die Blickposen der Schlüsselansichten zu schätzen. Für das Verfolgen der Kamerapose bezüglich der Modelle in Echtzeit, kombinieren wir die Genauigkeit unserer Registrierung mit der Robustheit von Partikelfiltern. Zu Beginn der Posenverfolgung, oder wenn das Objekt aufgrund von Verdeckungen oder extremen Bewegungen nicht weiter verfolgt werden konnte, initialisieren wir das Filter durch Objektdetektion. Anschließend wenden wir unsere erweiterten Registrierungsverfahren für die Wahrnehmung in nicht-rigiden Szenen und für die Übertragung von Objekthandhabungsfähigkeiten von Robotern an. Wir erweitern unseren rigiden Kartierungsansatz auf dynamische Szenen, in denen sich rigide Teile bewegen. Die Bewegungssegmente in Schlüsselansichten werden zueinander in Bezug gesetzt, um Äquivalenz- und Teilebeziehungen von Objekten probabilistisch zu inferieren, denen die Segmente entsprechen. Auch hier liefert unsere Registrierungsmethode die Bewegung der Kamera bezüglich der Objekte, die wir in einem SLAM Verfahren optimieren. Aus diesen Blickposen wiederum können wir die Bewegungssegmente in dichten Objektmodellen vereinen. Objekte einer Klasse teilen oft eine gemeinsame Topologie von funktionalen Elementen, die durch Formkorrespondenzen ermittelt werden kann. Wir verwenden unsere deformierbare Registrierung, um solche Korrespondenzen zu finden und die Handhabung eines Objektes durch einen Roboter auf neue Objektinstanzen derselben Klasse zu übertragen. Schließlich entwickeln wir einen echtzeitfähigen Ansatz, der Kategorien von Objekten in RGB-D Bildern erkennt und segmentiert. Die Segmentierung basiert auf Ensemblen randomisierter Entscheidungsbäume, die Geometrie- und Texturmerkmale zur Klassifikation verwenden. Wir fusionieren Segmentierungen von Einzelbildern einer Szene aus mehreren Ansichten in einer semantischen Objektklassenkarte mit Hilfe unseres SLAM-Verfahrens. Die vorgestellten Methoden werden auf öffentlich verfügbaren Vergleichsdatensätzen und eigenen Datensätzen evaluiert. Einige unserer Ansätze wurden auch in integrierten Robotersystemen für mobile Objekthantierungsaufgaben öffentlich demonstriert. Sie waren ein wichtiger Bestandteil für das Gewinnen der RoboCup-Roboterwettbewerbe in der RoboCup@Home Liga in den Jahren 2011, 2012 und 2013

Computational and Imaging Methods for Studying Neuronal Populations during Behavior

One of the central questions in neuroscience is how the nervous system generates and regulates behavior. To understand the neural code for any behavior, an ideal experiment would entail (i) quantitatively defining that behavior, (ii) recording neuronal activity in relevant brain regions to identify the underlying neuronal circuits and eventually (iii) manipulating them to test their function. Novel methods in neuroscience have greatly advanced our abilities to conduct such experiments but are still insufficient. In this thesis, I developed methods for these three goals. In Chapter 2, I describe an automatic behavior identification and classification method for the cnidarian Hydra vulgaris using machine learning. In Chapter 3, I describe a fast volumetric two-photon microscope with dual-color laser excitation that can image in 3D the activity of populations of neurons from visual cortex of awake mice. In Chapter 4, I present a machine learning method that identifies cortical ensembles and pattern completion neurons in mouse visual cortex, using two-photon calcium imaging data. These methods advance current technologies, providing opportunities for new discoveries

A Semi-Automated Approach to Medical Image Segmentation using Conditional Random Field Inference

Medical image segmentation plays a crucial role in delivering effective patient care in various diagnostic and treatment modalities. Manual delineation of target volumes and all critical structures is a very tedious and highly time-consuming process and introduce uncertainties of treatment outcomes of patients. Fully automatic methods holds great promise for reducing cost and time, while at the same time improving accuracy and eliminating expert variability, yet there are still great challenges. Legally and ethically, human oversight must be integrated with ”smart tools” favoring a semi-automatic technique which can leverage the best aspects of both human and computer. In this work we show that we can formulate a semi-automatic framework for the segmentation problem by formulating it as an energy minimization problem in Conditional Random Field (CRF). We show that human input can be used as adaptive training data to condition a probabilistic boundary term modeled for the heterogeneous boundary characteristics of anatomical structures. We demonstrated that our method can effortlessly adapt to multiple structures and image modalities using a single CRF framework and tools to learn probabilistic terms interactively. To tackle a more difficult multi-class segmentation problem, we developed a new ensemble one-vs-rest graph cut algorithm. Each graph in the ensemble performs a simple and efficient bi-class (a target class vs the rest of the classes) segmentation. The final segmentation is obtained by majority vote. Our algorithm is both faster and more accurate when compared with the prior multi-class method which iteratively swaps classes. In this Thesis, we also include novel volumetric segmentation algorithms which employ deep learning and indicate how to synthesize our CRF framework with convolutional neural networks (CNN). This would allow incorporating user guidance into CNN based deep learning for this task. We think a deep learning based method interactively guided by human expert is the ideal solution for medical image segmentation