Hardware-accelerated algorithms in visual computing

This thesis presents new parallel algorithms which accelerate computer vision methods by the use of graphics processors (GPUs) and evaluates them with respect to their speed, scalability, and the quality of their results. It covers the fields of homogeneous and anisotropic diffusion processes, diffusion image inpainting, optic flow, and halftoning. In this turn, it compares different solvers for homogeneous diffusion and presents a novel \u27extended\u27 box filter. Moreover, it suggests to use the fast explicit diffusion scheme (FED) as an efficient and flexible solver for nonlinear and in particular for anisotropic parabolic diffusion problems on graphics hardware. For elliptic diffusion-like processes, it recommends to use cascadic FED or Fast Jacobi schemes. The presented optic flow algorithm represents one of the fastest yet very accurate techniques. Finally, it presents a novel halftoning scheme which yields state-of-the-art results for many applications in image processing and computer graphics.Diese Arbeit präsentiert neue parallele Algorithmen zur Beschleunigung von Methoden in der Bildinformatik mittels Grafikprozessoren (GPUs), und evaluiert diese im Hinblick auf Geschwindigkeit, Skalierungsverhalten, und Qualität der Resultate. Sie behandelt dabei die Gebiete der homogenen und anisotropen Diffusionsprozesse, Inpainting (Bildvervollständigung) mittels Diffusion, die Bestimmung des optischen Flusses, sowie Halbtonverfahren. Dabei werden verschiedene Löser für homogene Diffusion verglichen und ein neuer \u27erweiterter\u27 Mittelwertfilter präsentiert. Ferner wird vorgeschlagen, das schnelle explizite Diffusionsschema (FED) als effizienten und flexiblen Löser für parabolische nichtlineare und speziell anisotrope Diffusionsprozesse auf Grafikprozessoren einzusetzen. Für elliptische diffusionsartige Prozesse wird hingegen empfohlen, kaskadierte FED- oder schnelle Jacobi-Verfahren einzusetzen. Der vorgestellte Algorithmus zur Berechnung des optischen Flusses stellt eines der schnellsten und dennoch äußerst genauen Verfahren dar. Schließlich wird ein neues Halbtonverfahren präsentiert, das in vielen Bereichen der Bildverarbeitung und Computergrafik Ergebnisse produziert, die den Stand der Technik repräsentieren

An Analytical model for the colorimetric characterization of color CRTs

To be a viable instrument for color appearance research, the color Cathode Ray Tube has to be very well calibrated and characterized. The purpose of this research was to develop the techniques and methods used to carry out such characterization, and also to evaluate to what degree of precision and accuracy can such a characterization be performed. A new model for predicting the CRT behavior is presented along with the experimental results that validate it

Visuelle Analyse großer Partikeldaten

Partikelsimulationen sind eine bewährte und weit verbreitete numerische Methode in der Forschung und Technik. Beispielsweise werden Partikelsimulationen zur Erforschung der Kraftstoffzerstäubung in Flugzeugturbinen eingesetzt. Auch die Entstehung des Universums wird durch die Simulation von dunkler Materiepartikeln untersucht. Die hierbei produzierten Datenmengen sind immens. So enthalten aktuelle Simulationen Billionen von Partikeln, die sich über die Zeit bewegen und miteinander interagieren. Die Visualisierung bietet ein großes Potenzial zur Exploration, Validation und Analyse wissenschaftlicher Datensätze sowie der zugrundeliegenden Modelle. Allerdings liegt der Fokus meist auf strukturierten Daten mit einer regulären Topologie. Im Gegensatz hierzu bewegen sich Partikel frei durch Raum und Zeit. Diese Betrachtungsweise ist aus der Physik als das lagrange Bezugssystem bekannt. Zwar können Partikel aus dem lagrangen in ein reguläres eulersches Bezugssystem, wie beispielsweise in ein uniformes Gitter, konvertiert werden. Dies ist bei einer großen Menge an Partikeln jedoch mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Darüber hinaus führt diese Konversion meist zu einem Verlust der Präzision bei gleichzeitig erhöhtem Speicherverbrauch. Im Rahmen dieser Dissertation werde ich neue Visualisierungstechniken erforschen, welche speziell auf der lagrangen Sichtweise basieren. Diese ermöglichen eine effiziente und effektive visuelle Analyse großer Partikeldaten

Calm Displays and Their Applications : Making Emissive Displays Mimic Reflective Surfaces Using Visual Psychophysics, Light Sensing and Colour Science

Ph. D. Thesis.Our environment is increasingly full of obtrusive display panels, which become illuminating surfaces when on, and void black rectangles when off. Some researchers argue that emissive displays are incompatible with Weiser and Seely Brown's vision of "calm technology", due to their inability to seamlessly blend into the background. Indeed, Mankoff has shown that for any ambient technology, the ability to move into the periphery is the most relevant factor in their usability. In this thesis, a background mode for displays is proposed based on the idea that displays can look like an ordinary piece of reflective paper showing the same content. The thesis consists of three main parts. In the first part (Chapter 4), human colour matching performance between an emissive display and reflective paper under chromatic lighting conditions is measured in a psychophysical experiment. We find that threshold discrimination ellipses vary with condition (16.0×6.0 ΔEab on average), with lower sensitivity to chroma than hue changes. Match distributions are bimodal for some conditions. In the second part (Chapter 5), an algorithm enabling emissive displays to look like reflective paper is described and evaluated, giving an average error of ΔEab = 10.2 between display and paper. A field study showed that paper-like displays are more acceptable in bedrooms and that people are more likely to keep them always on than normal displays. Finally, the third part (Chapter 6) concerns the development and four-week trial of a paper-like display application. Using the autobiographical design method, a system for sharing bedtime with a remote partner was developed. We see that once unobtrusive, display systems are desired for use even in spaces like bedrooms. Paper-like displays enable both emerging and existing devices to move into the periphery and become “invisible”, and therefore provide a new building block of calm technology that is not achievable using simple emissive displays

Using MapReduce Streaming for Distributed Life Simulation on the Cloud

Distributed software simulations are indispensable in the study of large-scale life models but often require the use of technically complex lower-level distributed computing frameworks, such as MPI. We propose to overcome the complexity challenge by applying the emerging MapReduce (MR) model to distributed life simulations and by running such simulations on the cloud. Technically, we design optimized MR streaming algorithms for discrete and continuous versions of Conway’s life according to a general MR streaming pattern. We chose life because it is simple enough as a testbed for MR’s applicability to a-life simulations and general enough to make our results applicable to various lattice-based a-life models. We implement and empirically evaluate our algorithms’ performance on Amazon’s Elastic MR cloud. Our experiments demonstrate that a single MR optimization technique called strip partitioning can reduce the execution time of continuous life simulations by 64%. To the best of our knowledge, we are the first to propose and evaluate MR streaming algorithms for lattice-based simulations. Our algorithms can serve as prototypes in the development of novel MR simulation algorithms for large-scale lattice-based a-life models.https://digitalcommons.chapman.edu/scs_books/1014/thumbnail.jp

Understanding and advancing PDE-based image compression

This thesis is dedicated to image compression with partial differential equations (PDEs). PDE-based codecs store only a small amount of image points and propagate their information into the unknown image areas during the decompression step. For certain classes of images, PDE-based compression can already outperform the current quasi-standard, JPEG2000. However, the reasons for this success are not yet fully understood, and PDE-based compression is still in a proof-of-concept stage. With a probabilistic justification for anisotropic diffusion, we contribute to a deeper insight into design principles for PDE-based codecs. Moreover, by analysing the interaction between efficient storage methods and image reconstruction with diffusion, we can rank PDEs according to their practical value in compression. Based on these observations, we advance PDE-based compression towards practical viability: First, we present a new hybrid codec that combines PDE- and patch-based interpolation to deal with highly textured images. Furthermore, a new video player demonstrates the real-time capacities of PDE-based image interpolation and a new region of interest coding algorithm represents important image areas with high accuracy. Finally, we propose a new framework for diffusion-based image colourisation that we use to build an efficient codec for colour images. Experiments on real world image databases show that our new method is qualitatively competitive to current state-of-the-art codecs.Diese Dissertation ist der Bildkompression mit partiellen Differentialgleichungen (PDEs, partial differential equations) gewidmet. PDE-Codecs speichern nur einen geringen Anteil aller Bildpunkte und transportieren deren Information in fehlende Bildregionen. In einigen Fällen kann PDE-basierte Kompression den aktuellen Quasi-Standard, JPEG2000, bereits schlagen. Allerdings sind die Gründe für diesen Erfolg noch nicht vollständig erforscht, und PDE-basierte Kompression befindet sich derzeit noch im Anfangsstadium. Wir tragen durch eine probabilistische Rechtfertigung anisotroper Diffusion zu einem tieferen Verständnis PDE-basierten Codec-Designs bei. Eine Analyse der Interaktion zwischen effizienten Speicherverfahren und Bildrekonstruktion erlaubt es uns, PDEs nach ihrem Nutzen für die Kompression zu beurteilen. Anhand dieser Einsichten entwickeln wir PDE-basierte Kompression hinsichtlich ihrer praktischen Nutzbarkeit weiter: Wir stellen einen Hybrid-Codec für hochtexturierte Bilder vor, der umgebungsbasierte Interpolation mit PDEs kombiniert. Ein neuer Video-Dekodierer demonstriert die Echtzeitfähigkeit PDE-basierter Interpolation und eine Region-of-Interest-Methode erlaubt es, wichtige Bildbereiche mit hoher Genauigkeit zu speichern. Schlussendlich stellen wir ein neues diffusionsbasiertes Kolorierungsverfahren vor, welches uns effiziente Kompression von Farbbildern ermöglicht. Experimente auf Realwelt-Bilddatenbanken zeigen die Konkurrenzfähigkeit dieses Verfahrens auf

Understanding and advancing PDE-based image compression

This thesis is dedicated to image compression with partial differential equations (PDEs). PDE-based codecs store only a small amount of image points and propagate their information into the unknown image areas during the decompression step. For certain classes of images, PDE-based compression can already outperform the current quasi-standard, JPEG2000. However, the reasons for this success are not yet fully understood, and PDE-based compression is still in a proof-of-concept stage. With a probabilistic justification for anisotropic diffusion, we contribute to a deeper insight into design principles for PDE-based codecs. Moreover, by analysing the interaction between efficient storage methods and image reconstruction with diffusion, we can rank PDEs according to their practical value in compression. Based on these observations, we advance PDE-based compression towards practical viability: First, we present a new hybrid codec that combines PDE- and patch-based interpolation to deal with highly textured images. Furthermore, a new video player demonstrates the real-time capacities of PDE-based image interpolation and a new region of interest coding algorithm represents important image areas with high accuracy. Finally, we propose a new framework for diffusion-based image colourisation that we use to build an efficient codec for colour images. Experiments on real world image databases show that our new method is qualitatively competitive to current state-of-the-art codecs.Diese Dissertation ist der Bildkompression mit partiellen Differentialgleichungen (PDEs, partial differential equations) gewidmet. PDE-Codecs speichern nur einen geringen Anteil aller Bildpunkte und transportieren deren Information in fehlende Bildregionen. In einigen Fällen kann PDE-basierte Kompression den aktuellen Quasi-Standard, JPEG2000, bereits schlagen. Allerdings sind die Gründe für diesen Erfolg noch nicht vollständig erforscht, und PDE-basierte Kompression befindet sich derzeit noch im Anfangsstadium. Wir tragen durch eine probabilistische Rechtfertigung anisotroper Diffusion zu einem tieferen Verständnis PDE-basierten Codec-Designs bei. Eine Analyse der Interaktion zwischen effizienten Speicherverfahren und Bildrekonstruktion erlaubt es uns, PDEs nach ihrem Nutzen für die Kompression zu beurteilen. Anhand dieser Einsichten entwickeln wir PDE-basierte Kompression hinsichtlich ihrer praktischen Nutzbarkeit weiter: Wir stellen einen Hybrid-Codec für hochtexturierte Bilder vor, der umgebungsbasierte Interpolation mit PDEs kombiniert. Ein neuer Video-Dekodierer demonstriert die Echtzeitfähigkeit PDE-basierter Interpolation und eine Region-of-Interest-Methode erlaubt es, wichtige Bildbereiche mit hoher Genauigkeit zu speichern. Schlussendlich stellen wir ein neues diffusionsbasiertes Kolorierungsverfahren vor, welches uns effiziente Kompression von Farbbildern ermöglicht. Experimente auf Realwelt-Bilddatenbanken zeigen die Konkurrenzfähigkeit dieses Verfahrens auf