Advances in Image Processing, Analysis and Recognition Technology

For many decades, researchers have been trying to make computers’ analysis of images as effective as the system of human vision is. For this purpose, many algorithms and systems have previously been created. The whole process covers various stages, including image processing, representation and recognition. The results of this work can be applied to many computer-assisted areas of everyday life. They improve particular activities and provide handy tools, which are sometimes only for entertainment, but quite often, they significantly increase our safety. In fact, the practical implementation of image processing algorithms is particularly wide. Moreover, the rapid growth of computational complexity and computer efficiency has allowed for the development of more sophisticated and effective algorithms and tools. Although significant progress has been made so far, many issues still remain, resulting in the need for the development of novel approaches

Compression, pose tracking, and halftoning

In this thesis, we discuss image compression, pose tracking, and halftoning. Although these areas seem to be unrelated at first glance, they can be connected through video coding as application scenario. Our first contribution is an image compression algorithm based on a rectangular subdivision scheme which stores only a small subsets of the image points. From these points, the remained of the image is reconstructed using partial differential equations. Afterwards, we present a pose tracking algorithm that is able to follow the 3-D position and orientation of multiple objects simultaneously. The algorithm can deal with noisy sequences, and naturally handles both occlusions between different objects, as well as occlusions occurring in kinematic chains. Our third contribution is a halftoning algorithm based on electrostatic principles, which can easily be adjusted to different settings through a number of extensions. Examples include modifications to handle varying dot sizes or hatching. In the final part of the thesis, we show how to combine our image compression, pose tracking, and halftoning algorithms to novel video compression codecs. In each of these four topics, our algorithms yield excellent results that outperform those of other state-of-the-art algorithms.In dieser Arbeit werden die auf den ersten Blick vollkommen voneinander unabhängig erscheinenden Bereiche Bildkompression, 3D-Posenschätzung und Halbtonverfahren behandelt und im Bereich der Videokompression sinnvoll zusammengeführt. Unser erster Beitrag ist ein Bildkompressionsalgorithmus, der auf einem rechteckigen Unterteilungsschema basiert. Dieser Algorithmus speichert nur eine kleine Teilmenge der im Bild vorhandenen Punkte, während die restlichen Punkte mittels partieller Differentialgleichungen rekonstruiert werden. Danach stellen wir ein Posenschätzverfahren vor, welches die 3D-Position und Ausrichtung von mehreren Objekten anhand von Bilddaten gleichzeitig verfolgen kann. Unser Verfahren funktioniert bei verrauschten Videos und im Falle von Objektüberlagerungen. Auch Verdeckungen innerhalb einer kinematischen Kette werden natürlich behandelt. Unser dritter Beitrag ist ein Halbtonverfahren, das auf elektrostatischen Prinzipien beruht. Durch eine Reihe von Erweiterungen kann dieses Verfahren flexibel an verschiedene Szenarien angepasst werden. So ist es beispielsweise möglich, verschiedene Punktgrößen zu verwenden oder Schraffuren zu erzeugen. Der letzte Teil der Arbeit zeigt, wie man unseren Bildkompressionsalgorithmus, unser Posenschätzverfahren und unser Halbtonverfahren zu neuen Videokompressionsalgorithmen kombinieren kann. Die für jeden der vier Themenbereiche entwickelten Verfahren erzielen hervorragende Resultate, welche die Ergebnisse anderer moderner Verfahren übertreffen

Data-driven approaches for interactive appearance editing

This thesis proposes several techniques for interactive editing of digital content and fast rendering of virtual 3D scenes. Editing of digital content - such as images or 3D scenes - is difficult, requires artistic talent and technical expertise. To alleviate these difficulties, we exploit data-driven approaches that use the easily accessible Internet data (e. g., images, videos, materials) to develop new tools for digital content manipulation. Our proposed techniques allow casual users to achieve high-quality editing by interactively exploring the manipulations without the need to understand the underlying physical models of appearance. First, the thesis presents a fast algorithm for realistic image synthesis of virtual 3D scenes. This serves as the core framework for a new method that allows artists to fine tune the appearance of a rendered 3D scene. Here, artists directly paint the final appearance and the system automatically solves for the material parameters that best match the desired look. Along this line, an example-based material assignment approach is proposed, where the 3D models of a virtual scene can be "materialized" simply by giving a guidance source (image/video). Next, the thesis proposes shape and color subspaces of an object that are learned from a collection of exemplar images. These subspaces can be used to constrain image manipulations to valid shapes and colors, or provide suggestions for manipulations. Finally, data-driven color manifolds which contain colors of a specific context are proposed. Such color manifolds can be used to improve color picking performance, color stylization, compression or white balancing.Diese Dissertation stellt Techniken zum interaktiven Editieren von digitalen Inhalten und zum schnellen Rendering von virtuellen 3D Szenen vor. Digitales Editieren - seien es Bilder oder dreidimensionale Szenen - ist kompliziert, benötigt künstlerisches Talent und technische Expertise. Um diese Schwierigkeiten zu relativieren, nutzen wir datengesteuerte Ansätze, die einfach zugängliche Internetdaten, wie Bilder, Videos und Materialeigenschaften, nutzen um neue Werkzeuge zur Manipulation von digitalen Inhalten zu entwickeln. Die von uns vorgestellten Techniken erlauben Gelegenheitsnutzern das Editieren in hoher Qualität, indem Manipulationsmöglichkeiten interaktiv exploriert werden können ohne die zugrundeliegenden physikalischen Modelle der Bildentstehung verstehen zu müssen. Zunächst stellen wir einen effizienten Algorithmus zur realistischen Bildsynthese von virtuellen 3D Szenen vor. Dieser dient als Kerngerüst einer Methode, die Nutzern die Feinabstimmung des finalen Aussehens einer gerenderten dreidimensionalen Szene erlaubt. Hierbei malt der Künstler direkt das beabsichtigte Aussehen und das System errechnet automatisch die zugrundeliegenden Materialeigenschaften, die den beabsichtigten Eigenschaften am nahesten kommen. Zu diesem Zweck wird ein auf Beispielen basierender Materialzuordnungsansatz vorgestellt, für den das 3D Model einer virtuellen Szene durch das simple Anführen einer Leitquelle (Bild, Video) in Materialien aufgeteilt werden kann. Als Nächstes schlagen wir Form- und Farbunterräume von Objektklassen vor, die aus einer Sammlung von Beispielbildern gelernt werden. Diese Unterräume können genutzt werden um Bildmanipulationen auf valide Formen und Farben einzuschränken oder Manipulationsvorschläge zu liefern. Schließlich werden datenbasierte Farbmannigfaltigkeiten vorgestellt, die Farben eines spezifischen Kontexts enthalten. Diese Mannigfaltigkeiten ermöglichen eine Leistungssteigerung bei Farbauswahl, Farbstilisierung, Komprimierung und Weißabgleich

Journal of Telecommunications and Information Technology

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