A robust patch-based synthesis framework for combining inconsistent images

Current methods for combining different images produce visible artifacts when the sources have very different textures and structures, come from far view points, or capture dynamic scenes with motions. In this thesis, we propose a patch-based synthesis algorithm to plausibly combine different images that have color, texture, structural, and geometric inconsistencies. For some applications such as cloning and stitching where a gradual blend is required, we present a new method for synthesizing a transition region between two source images, such that inconsistent properties change gradually from one source to the other. We call this process image melding. For gradual blending, we generalized patch-based optimization foundation with three key generalizations: First, we enrich the patch search space with additional geometric and photometric transformations. Second, we integrate image gradients into the patch representation and replace the usual color averaging with a screened Poisson equation solver. Third, we propose a new energy based on mixed L2/L0 norms for colors and gradients that produces a gradual transition between sources without sacrificing texture sharpness. Together, all three generalizations enable patch-based solutions to a broad class of image melding problems involving inconsistent sources: object cloning, stitching challenging panoramas, hole filling from multiple photos, and image harmonization. We also demonstrate another application which requires us to address inconsistencies across the images: high dynamic range (HDR) reconstruction using sequential exposures. In this application, the results will suffer from objectionable artifacts for dynamic scenes if the inconsistencies caused by significant scene motions are not handled properly. In this thesis, we propose a new approach to HDR reconstruction that uses information in all exposures while being more robust to motion than previous techniques. Our algorithm is based on a novel patch-based energy-minimization formulation that integrates alignment and reconstruction in a joint optimization through an equation we call the HDR image synthesis equation. This allows us to produce an HDR result that is aligned to one of the exposures yet contains information from all of them. These two applications (image melding and high dynamic range reconstruction) show that patch based methods like the one proposed in this dissertation can address inconsistent images and could open the door to many new image editing applications in the future

Variational image fusion

The main goal of this work is the fusion of multiple images to a single composite that offers more information than the individual input images. We approach those fusion tasks within a variational framework. First, we present iterative schemes that are well-suited for such variational problems and related tasks. They lead to efficient algorithms that are simple to implement and well-parallelisable. Next, we design a general fusion technique that aims for an image with optimal local contrast. This is the key for a versatile method that performs well in many application areas such as multispectral imaging, decolourisation, and exposure fusion. To handle motion within an exposure set, we present the following two-step approach: First, we introduce the complete rank transform to design an optic flow approach that is robust against severe illumination changes. Second, we eliminate remaining misalignments by means of brightness transfer functions that relate the brightness values between frames. Additional knowledge about the exposure set enables us to propose the first fully coupled method that jointly computes an aligned high dynamic range image and dense displacement fields. Finally, we present a technique that infers depth information from differently focused images. In this context, we additionally introduce a novel second order regulariser that adapts to the image structure in an anisotropic way.Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Fusion mehrerer Bilder zu einem Einzelbild, das mehr Informationen bietet als die einzelnen Eingangsbilder. Wir verwirklichen diese Fusionsaufgaben in einem variationellen Rahmen. Zunächst präsentieren wir iterative Schemata, die sich gut für solche variationellen Probleme und verwandte Aufgaben eignen. Danach entwerfen wir eine Fusionstechnik, die ein Bild mit optimalem lokalen Kontrast anstrebt. Dies ist der Schlüssel für eine vielseitige Methode, die gute Ergebnisse für zahlreiche Anwendungsbereiche wie Multispektralaufnahmen, Bildentfärbung oder Belichtungsreihenfusion liefert. Um Bewegungen in einer Belichtungsreihe zu handhaben, präsentieren wir folgenden Zweischrittansatz: Zuerst stellen wir die komplette Rangtransformation vor, um eine optische Flussmethode zu entwerfen, die robust gegenüber starken Beleuchtungsänderungen ist. Dann eliminieren wir verbleibende Registrierungsfehler mit der Helligkeitstransferfunktion, welche die Helligkeitswerte zwischen Bildern in Beziehung setzt. Zusätzliches Wissen über die Belichtungsreihe ermöglicht uns, die erste vollständig gekoppelte Methode vorzustellen, die gemeinsam ein registriertes Hochkontrastbild sowie dichte Bewegungsfelder berechnet. Final präsentieren wir eine Technik, die von unterschiedlich fokussierten Bildern Tiefeninformation ableitet. In diesem Kontext stellen wir zusätzlich einen neuen Regularisierer zweiter Ordnung vor, der sich der Bildstruktur anisotrop anpasst

Variational image fusion

The main goal of this work is the fusion of multiple images to a single composite that offers more information than the individual input images. We approach those fusion tasks within a variational framework. First, we present iterative schemes that are well-suited for such variational problems and related tasks. They lead to efficient algorithms that are simple to implement and well-parallelisable. Next, we design a general fusion technique that aims for an image with optimal local contrast. This is the key for a versatile method that performs well in many application areas such as multispectral imaging, decolourisation, and exposure fusion. To handle motion within an exposure set, we present the following two-step approach: First, we introduce the complete rank transform to design an optic flow approach that is robust against severe illumination changes. Second, we eliminate remaining misalignments by means of brightness transfer functions that relate the brightness values between frames. Additional knowledge about the exposure set enables us to propose the first fully coupled method that jointly computes an aligned high dynamic range image and dense displacement fields. Finally, we present a technique that infers depth information from differently focused images. In this context, we additionally introduce a novel second order regulariser that adapts to the image structure in an anisotropic way.Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Fusion mehrerer Bilder zu einem Einzelbild, das mehr Informationen bietet als die einzelnen Eingangsbilder. Wir verwirklichen diese Fusionsaufgaben in einem variationellen Rahmen. Zunächst präsentieren wir iterative Schemata, die sich gut für solche variationellen Probleme und verwandte Aufgaben eignen. Danach entwerfen wir eine Fusionstechnik, die ein Bild mit optimalem lokalen Kontrast anstrebt. Dies ist der Schlüssel für eine vielseitige Methode, die gute Ergebnisse für zahlreiche Anwendungsbereiche wie Multispektralaufnahmen, Bildentfärbung oder Belichtungsreihenfusion liefert. Um Bewegungen in einer Belichtungsreihe zu handhaben, präsentieren wir folgenden Zweischrittansatz: Zuerst stellen wir die komplette Rangtransformation vor, um eine optische Flussmethode zu entwerfen, die robust gegenüber starken Beleuchtungsänderungen ist. Dann eliminieren wir verbleibende Registrierungsfehler mit der Helligkeitstransferfunktion, welche die Helligkeitswerte zwischen Bildern in Beziehung setzt. Zusätzliches Wissen über die Belichtungsreihe ermöglicht uns, die erste vollständig gekoppelte Methode vorzustellen, die gemeinsam ein registriertes Hochkontrastbild sowie dichte Bewegungsfelder berechnet. Final präsentieren wir eine Technik, die von unterschiedlich fokussierten Bildern Tiefeninformation ableitet. In diesem Kontext stellen wir zusätzlich einen neuen Regularisierer zweiter Ordnung vor, der sich der Bildstruktur anisotrop anpasst