Clique descriptor of affine invariant regions for robust wide baseline image matching

Assuming that the image distortion between corresponding regions of a stereo pair of images with wide baseline can be approximated as an affine transformation if the regions are reasonably small, recent image matching algorithms have focused on affine invariant region (IR) detection and its description to increase the robustness in matching. However, the distinctiveness of an intensity-based region descriptor tends to deteriorate when an image includes homogeneous texture or repetitive pattern. To address this problem, we investigated the geometry of a local IR cluster (also called a clique) and propose a new clique-based image matching method. In the proposed method, the clique of an IR is estimated by Delaunay triangulation in a local affine frame and the Hausdorff distance is adopted for matching an inexact number of multiple descriptor vectors. We also introduce two adaptively weighted clique distances, where the neighbour distance in a clique is appropriately weighted according to characteristics of the local feature distribution. Experimental results show the clique-based matching method produces more tentative correspondences than variants of the SIFT-based method

Robust surface modelling of visual hull from multiple silhouettes

Reconstructing depth information from images is one of the actively researched themes in computer vision and its application involves most vision research areas from object recognition to realistic visualisation. Amongst other useful vision-based reconstruction techniques, this thesis extensively investigates the visual hull (VH) concept for volume approximation and its robust surface modelling when various views of an object are available. Assuming that multiple images are captured from a circular motion, projection matrices are generally parameterised in terms of a rotation angle from a reference position in order to facilitate the multi-camera calibration. However, this assumption is often violated in practice, i.e., a pure rotation in a planar motion with accurate rotation angle is hardly realisable. To address this problem, at first, this thesis proposes a calibration method associated with the approximate circular motion. With these modified projection matrices, a resulting VH is represented by a hierarchical tree structure of voxels from which surfaces are extracted by the Marching cubes (MC) algorithm. However, the surfaces may have unexpected artefacts caused by a coarser volume reconstruction, the topological ambiguity of the MC algorithm, and imperfect image processing or calibration result. To avoid this sensitivity, this thesis proposes a robust surface construction algorithm which initially classifies local convex regions from imperfect MC vertices and then aggregates local surfaces constructed by the 3D convex hull algorithm. Furthermore, this thesis also explores the use of wide baseline images to refine a coarse VH using an affine invariant region descriptor. This improves the quality of VH when a small number of initial views is given. In conclusion, the proposed methods achieve a 3D model with enhanced accuracy. Also, robust surface modelling is retained when silhouette images are degraded by practical noise

Robust surface modelling of visual hull from multiple silhouettes

Reconstructing depth information from images is one of the actively researched themes in computer vision and its application involves most vision research areas from object recognition to realistic visualisation. Amongst other useful vision-based reconstruction techniques, this thesis extensively investigates the visual hull (VH) concept for volume approximation and its robust surface modelling when various views of an object are available. Assuming that multiple images are captured from a circular motion, projection matrices are generally parameterised in terms of a rotation angle from a reference position in order to facilitate the multi-camera calibration. However, this assumption is often violated in practice, i.e., a pure rotation in a planar motion with accurate rotation angle is hardly realisable. To address this problem, at first, this thesis proposes a calibration method associated with the approximate circular motion. With these modified projection matrices, a resulting VH is represented by a hierarchical tree structure of voxels from which surfaces are extracted by the Marching cubes (MC) algorithm. However, the surfaces may have unexpected artefacts caused by a coarser volume reconstruction, the topological ambiguity of the MC algorithm, and imperfect image processing or calibration result. To avoid this sensitivity, this thesis proposes a robust surface construction algorithm which initially classifies local convex regions from imperfect MC vertices and then aggregates local surfaces constructed by the 3D convex hull algorithm. Furthermore, this thesis also explores the use of wide baseline images to refine a coarse VH using an affine invariant region descriptor. This improves the quality of VH when a small number of initial views is given. In conclusion, the proposed methods achieve a 3D model with enhanced accuracy. Also, robust surface modelling is retained when silhouette images are degraded by practical noise

Robust Wide-Baseline Stereo Matching for Sparsely Textured Scenes

The task of wide baseline stereo matching algorithms is to identify corresponding elements in pairs of overlapping images taken from significantly different viewpoints. Such algorithms are a key ingredient to many computer vision applications, including object recognition, automatic camera orientation, 3D reconstruction and image registration. Although today's methods for wide baseline stereo matching produce reliable results for typical application scenarios, they assume properties of the image data that are not always granted, for example a significant amount of distinctive surface texture. For such problems, highly advanced algorithms have been proposed, which are often very problem specific, difficult to implement and hard to transfer to new matching problems. The motivation for our work comes from the belief that we can find a generic formulation for robust wide baseline image matching that is able to solve difficult matching problems and at the same time applicable to a variety of applications. It should be easy to implement, and have good semantic interpretability. Therefore our key contribution is the development of a generic statistical model for wide baseline stereo matching, which seamlessly integrates different types of image features, similarity measures and spatial feature relationships as information cues. It unifies the ideas of existing approaches into a Bayesian formulation, which has a clear statistical interpretation as the MAP estimate of a binary classification problem. The model ultimately takes the form of a global minimization problem that can be solved with standard optimization techniques. The particular type of features, measures, and spatial relationships however is not prescribed. A major advantage of our model over existing approaches is its ability to compensate weaknesses in one information cue implicitly by exploiting the strength of others. In our experiments we concentrate on images of sparsely textured scenes as a specifically difficult matching problem. Here the amount of stable image features is typically rather small, and the distinctiveness of feature descriptions often low. We use the proposed framework to implement a wide baseline stereo matching algorithm that can deal better with poor texture than established methods. For demonstrating the practical relevance, we also apply this algorithm to a system for automatic image orientation. Here, the task is to reconstruct the relative 3D positions and orientations of the cameras corresponding to a set of overlapping images. We show that our implementation leads to more successful results in case of sparsely textured scenes, while still retaining state of the art performance on standard datasets.Robuste Merkmalszuordnung für Bildpaare schwach texturierter Szenen mit deutlicher Stereobasis Die Aufgabe von Wide Baseline Stereo Matching Algorithmen besteht darin, korrespondierende Elemente in Paaren überlappender Bilder mit deutlich verschiedenen Kamerapositionen zu bestimmen. Solche Algorithmen sind ein grundlegender Baustein für zahlreiche Computer Vision Anwendungen wie Objekterkennung, automatische Kameraorientierung, 3D Rekonstruktion und Bildregistrierung. Die heute etablierten Verfahren für Wide Baseline Stereo Matching funktionieren in typischen Anwendungsszenarien sehr zuverlässig. Sie setzen jedoch Eigenschaften der Bilddaten voraus, die nicht immer gegeben sind, wie beispielsweise einen hohen Anteil markanter Textur. Für solche Fälle wurden sehr komplexe Verfahren entwickelt, die jedoch oft nur auf sehr spezifische Probleme anwendbar sind, einen hohen Implementierungsaufwand erfordern, und sich zudem nur schwer auf neue Matchingprobleme übertragen lassen. Die Motivation für diese Arbeit entstand aus der Überzeugung, dass es eine möglichst allgemein anwendbare Formulierung für robustes Wide Baseline Stereo Matching geben muß, die sich zur Lösung schwieriger Zuordnungsprobleme eignet und dennoch leicht auf verschiedenartige Anwendungen angepasst werden kann. Sie sollte leicht implementierbar sein und eine hohe semantische Interpretierbarkeit aufweisen. Unser Hauptbeitrag besteht daher in der Entwicklung eines allgemeinen statistischen Modells für Wide Baseline Stereo Matching, das verschiedene Typen von Bildmerkmalen, Ähnlichkeitsmaßen und räumlichen Beziehungen nahtlos als Informationsquellen integriert. Es führt Ideen bestehender Lösungsansätze in einer Bayes'schen Formulierung zusammen, die eine klare Interpretation als MAP Schätzung eines binären Klassifikationsproblems hat. Das Modell nimmt letztlich die Form eines globalen Minimierungsproblems an, das mit herkömmlichen Optimierungsverfahren gelöst werden kann. Der konkrete Typ der verwendeten Bildmerkmale, Ähnlichkeitsmaße und räumlichen Beziehungen ist nicht explizit vorgeschrieben. Ein wichtiger Vorteil unseres Modells gegenüber vergleichbaren Verfahren ist seine Fähigkeit, Schwachpunkte einer Informationsquelle implizit durch die Stärken anderer Informationsquellen zu kompensieren. In unseren Experimenten konzentrieren wir uns insbesondere auf Bilder schwach texturierter Szenen als ein Beispiel schwieriger Zuordnungsprobleme. Die Anzahl stabiler Bildmerkmale ist hier typischerweise gering, und die Unterscheidbarkeit der Merkmalsbeschreibungen schlecht. Anhand des vorgeschlagenen Modells implementieren wir einen konkreten Wide Baseline Stereo Matching Algorithmus, der besser mit schwacher Textur umgehen kann als herkömmliche Verfahren. Um die praktische Relevanz zu verdeutlichen, wenden wir den Algorithmus für die automatische Bildorientierung an. Hier besteht die Aufgabe darin, zu einer Menge überlappender Bilder die relativen 3D Kamerapositionen und Kameraorientierungen zu bestimmen. Wir zeigen, dass der Algorithmus im Fall schwach texturierter Szenen bessere Ergebnisse als etablierte Verfahren ermöglicht, und dennoch bei Standard-Datensätzen vergleichbare Ergebnisse liefert

Graph matching using position coordinates and local features for image analysis

Encontrar las correspondencias entre dos imágenes es un problema crucial en el campo de la visión por ordenador i el reconocimiento de patrones. Es relevante para un amplio rango de propósitos des de aplicaciones de reconocimiento de objetos en las áreas de biometría, análisis de documentos i análisis de formas hasta aplicaciones relacionadas con la geometría desde múltiples puntos de vista tales cómo la recuperación de la pose, estructura desde el movimiento y localización y mapeo. La mayoría de las técnicas existentes enfocan este problema o bien usando características locales en la imagen o bien usando métodos de registro de conjuntos de puntos (o bien una mezcla de ambos). En las primeras, un conjunto disperso de características es primeramente extraído de las imágenes y luego caracterizado en la forma de vectores descriptores usando evidencias locales de la imagen. Las características son asociadas según la similitud entre sus descriptores. En las segundas, los conjuntos de características son considerados cómo conjuntos de puntos los cuales son asociados usando técnicas de optimización no lineal. Estos son procedimientos iterativos que estiman los parámetros de correspondencia y de alineamiento en pasos alternados. Los grafos son representaciones que contemplan relaciones binarias entre las características. Tener en cuenta relaciones binarias al problema de la correspondencia a menudo lleva al llamado problema del emparejamiento de grafos. Existe cierta cantidad de métodos en la literatura destinados a encontrar soluciones aproximadas a diferentes instancias del problema de emparejamiento de grafos, que en la mayoría de casos es del tipo "NP-hard". El cuerpo de trabajo principal de esta tesis está dedicado a formular ambos problemas de asociación de características de imagen y registro de conjunto de puntos como instancias del problema de emparejamiento de grafos. En todos los casos proponemos algoritmos aproximados para solucionar estos problemas y nos comparamos con un número de métodos existentes pertenecientes a diferentes áreas como eliminadores de "outliers", métodos de registro de conjuntos de puntos y otros métodos de emparejamiento de grafos. Los experimentos muestran que en la mayoría de casos los métodos propuestos superan al resto. En ocasiones los métodos propuestos o bien comparten el mejor rendimiento con algún método competidor o bien obtienen resultados ligeramente peores. En estos casos, los métodos propuestos normalmente presentan tiempos computacionales inferiores.Trobar les correspondències entre dues imatges és un problema crucial en el camp de la visió per ordinador i el reconeixement de patrons. És rellevant per un ampli ventall de propòsits des d’aplicacions de reconeixement d’objectes en les àrees de biometria, anàlisi de documents i anàlisi de formes fins aplicacions relacionades amb geometria des de múltiples punts de vista tals com recuperació de pose, estructura des del moviment i localització i mapeig. La majoria de les tècniques existents enfoquen aquest problema o bé usant característiques locals a la imatge o bé usant mètodes de registre de conjunts de punts (o bé una mescla d’ambdós). En les primeres, un conjunt dispers de característiques és primerament extret de les imatges i després caracteritzat en la forma de vectors descriptors usant evidències locals de la imatge. Les característiques son associades segons la similitud entre els seus descriptors. En les segones, els conjunts de característiques son considerats com conjunts de punts els quals son associats usant tècniques d’optimització no lineal. Aquests son procediments iteratius que estimen els paràmetres de correspondència i d’alineament en passos alternats. Els grafs son representacions que contemplen relacions binaries entre les característiques. Tenir en compte relacions binàries al problema de la correspondència sovint porta a l’anomenat problema de l’emparellament de grafs. Existeix certa quantitat de mètodes a la literatura destinats a trobar solucions aproximades a diferents instàncies del problema d’emparellament de grafs, el qual en la majoria de casos és del tipus “NP-hard”. Una part del nostre treball està dedicat a investigar els beneficis de les mesures de ``bins'' creuats per a la comparació de característiques locals de les imatges. La resta està dedicat a formular ambdós problemes d’associació de característiques d’imatge i registre de conjunt de punts com a instàncies del problema d’emparellament de grafs. En tots els casos proposem algoritmes aproximats per solucionar aquests problemes i ens comparem amb un nombre de mètodes existents pertanyents a diferents àrees com eliminadors d’“outliers”, mètodes de registre de conjunts de punts i altres mètodes d’emparellament de grafs. Els experiments mostren que en la majoria de casos els mètodes proposats superen a la resta. En ocasions els mètodes proposats o bé comparteixen el millor rendiment amb algun mètode competidor o bé obtenen resultats lleugerament pitjors. En aquests casos, els mètodes proposats normalment presenten temps computacionals inferiors

Geometric uncertainty models for correspondence problems in digital image processing

Many recent advances in technology rely heavily on the correct interpretation of an enormous amount of visual information. All available sources of visual data (e.g. cameras in surveillance networks, smartphones, game consoles) must be adequately processed to retrieve the most interesting user information. Therefore, computer vision and image processing techniques gain significant interest at the moment, and will do so in the near future. Most commonly applied image processing algorithms require a reliable solution for correspondence problems. The solution involves, first, the localization of corresponding points -visualizing the same 3D point in the observed scene- in the different images of distinct sources, and second, the computation of consistent geometric transformations relating correspondences on scene objects. This PhD presents a theoretical framework for solving correspondence problems with geometric features (such as points and straight lines) representing rigid objects in image sequences of complex scenes with static and dynamic cameras. The research focuses on localization uncertainty due to errors in feature detection and measurement, and its effect on each step in the solution of a correspondence problem. Whereas most other recent methods apply statistical-based models for spatial localization uncertainty, this work considers a novel geometric approach. Localization uncertainty is modeled as a convex polygonal region in the image space. This model can be efficiently propagated throughout the correspondence finding procedure. It allows for an easy extension toward transformation uncertainty models, and to infer confidence measures to verify the reliability of the outcome in the correspondence framework. Our procedure aims at finding reliable consistent transformations in sets of few and ill-localized features, possibly containing a large fraction of false candidate correspondences. The evaluation of the proposed procedure in practical correspondence problems shows that correct consistent correspondence sets are returned in over 95% of the experiments for small sets of 10-40 features contaminated with up to 400% of false positives and 40% of false negatives. The presented techniques prove to be beneficial in typical image processing applications, such as image registration and rigid object tracking

Grouping Uncertain Oriented Projective Geometric Entities with Application to Automatic Building Reconstruction

The fully automatic reconstruction of 3d scenes from a set of 2d images has always been a key issue in photogrammetry and computer vision and has not been solved satisfactory so far. Most of the current approaches match features between the images based on radiometric cues followed by a reconstruction using the image geometry. The motivation for this work is the conjecture that in the presence of highly redundant data it should be possible to recover the scene structure by grouping together geometric primitives in a bottom-up manner. Oriented projective geometry will be used throughout this work, which allows to represent geometric primitives, such as points, lines and planes in 2d and 3d space as well as projective cameras, together with their uncertainty. The first major contribution of the work is the use of uncertain oriented projective geometry, rather than uncertain projective geometry, that enables the representation of more complex compound entities, such as line segments and polygons in 2d and 3d space as well as 2d edgels and 3d facets. Within the uncertain oriented projective framework a procedure is developed, which allows to test pairwise relations between the various uncertain oriented projective entities. Again, the novelty lies in the possibility to check relations between the novel compound entities. The second major contribution of the work is the development of a data structure, specifically designed to enable performing the tests between large numbers of entities in an efficient manner. Being able to efficiently test relations between the geometric entities, a framework for grouping those entities together is developed. Various different grouping methods are discussed. The third major contribution of this work is the development of a novel grouping method that by analyzing the entropy change incurred by incrementally adding observations into an estimation is able to balance efficiency against robustness in order to achieve better grouping results. Finally the applicability of the proposed representations, tests and grouping methods for the task of purely geometry based building reconstruction from oriented aerial images is demonstrated. lt will be shown that in the presence of highly redundant datasets it is possible to achieve reasonable reconstruction results by grouping together geometric primitives.Gruppierung unsicherer orientierter projektiver geometrischer Elemente mit Anwendung in der automatischen Gebäuderekonstruktion Die vollautomatische Rekonstruktion von 3D Szenen aus einer Menge von 2D Bildern war immer ein Hauptanliegen in der Photogrammetrie und Computer Vision und wurde bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst. Die meisten aktuellen Ansätze ordnen Merkmale zwischen den Bildern basierend auf radiometrischen Eigenschaften zu. Daran schließt sich dann eine Rekonstruktion auf der Basis der Bildgeometrie an. Die Motivation für diese Arbeit ist die These, dass es möglich sein sollte, die Struktur einer Szene durch Gruppierung geometrischer Primitive zu rekonstruieren, falls die Eingabedaten genügend redundant sind. Orientierte projektive Geometrie wird in dieser Arbeit zur Repräsentation geometrischer Primitive, wie Punkten, Linien und Ebenen in 2D und 3D sowie projektiver Kameras, zusammen mit ihrer Unsicherheit verwendet. Der erste Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Verwendung unsicherer orientierter projektiver Geometrie, anstatt von unsicherer projektiver Geometrie, welche die Repräsentation von komplexeren zusammengesetzten Objekten, wie Liniensegmenten und Polygonen in 2D und 3D sowie 2D Edgels und 3D Facetten, ermöglicht. Innerhalb dieser unsicheren orientierten projektiven Repräsentation wird ein Verfahren zum Testen paarweiser Relationen zwischen den verschiedenen unsicheren orientierten projektiven geometrischen Elementen entwickelt. Dabei liegt die Neuheit wieder in der Möglichkeit, Relationen zwischen den neuen zusammengesetzten Elementen zu prüfen. Der zweite Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Datenstruktur, welche speziell auf die effiziente Prüfung von solchen Relationen zwischen vielen Elementen ausgelegt ist. Die Möglichkeit zur effizienten Prüfung von Relationen zwischen den geometrischen Elementen erlaubt nun die Entwicklung eines Systems zur Gruppierung dieser Elemente. Verschiedene Gruppierungsmethoden werden vorgestellt. Der dritte Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Gruppierungsmethode, die durch die Analyse der Änderung der Entropie beim Hinzufügen von Beobachtungen in die Schätzung Effizienz und Robustheit gegeneinander ausbalanciert und dadurch bessere Gruppierungsergebnisse erzielt. Zum Schluss wird die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Repräsentationen, Tests und Gruppierungsmethoden für die ausschließlich geometriebasierte Gebäuderekonstruktion aus orientierten Luftbildern demonstriert. Es wird gezeigt, dass unter der Annahme von hoch redundanten Datensätzen vernünftige Rekonstruktionsergebnisse durch Gruppierung von geometrischen Primitiven erzielbar sind

Grouping Uncertain Oriented Projective Geometric Entities with Application to Automatic Building Reconstruction

The fully automatic reconstruction of 3d scenes from a set of 2d images has always been a key issue in photogrammetry and computer vision and has not been solved satisfactory so far. Most of the current approaches match features between the images based on radiometric cues followed by a reconstruction using the image geometry. The motivation for this work is the conjecture that in the presence of highly redundant data it should be possible to recover the scene structure by grouping together geometric primitives in a bottom-up manner. Oriented projective geometry will be used throughout this work, which allows to represent geometric primitives, such as points, lines and planes in 2d and 3d space as well as projective cameras, together with their uncertainty. The first major contribution of the work is the use of uncertain oriented projective geometry, rather than uncertain projective geometry, that enables the representation of more complex compound entities, such as line segments and polygons in 2d and 3d space as well as 2d edgels and 3d facets. Within the uncertain oriented projective framework a procedure is developed, which allows to test pairwise relations between the various uncertain oriented projective entities. Again, the novelty lies in the possibility to check relations between the novel compound entities. The second major contribution of the work is the development of a data structure, specifically designed to enable performing the tests between large numbers of entities in an efficient manner. Being able to efficiently test relations between the geometric entities, a framework for grouping those entities together is developed. Various different grouping methods are discussed. The third major contribution of this work is the development of a novel grouping method that by analyzing the entropy change incurred by incrementally adding observations into an estimation is able to balance efficiency against robustness in order to achieve better grouping results. Finally the applicability of the proposed representations, tests and grouping methods for the task of purely geometry based building reconstruction from oriented aerial images is demonstrated. It will be shown that in the presence of highly redundant datasets it is possible to achieve reasonable reconstruction results by grouping together geometric primitives.Gruppierung unsicherer orientierter projektiver geometrischer Elemente mit Anwendung in der automatischen Gebäuderekonstruktion Die vollautomatische Rekonstruktion von 3D Szenen aus einer Menge von 2D Bildern war immer ein Hauptanliegen in der Photogrammetrie und Computer Vision und wurde bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst. Die meisten aktuellen Ansätze ordnen Merkmale zwischen den Bildern basierend auf radiometrischen Eigenschaften zu. Daran schließt sich dann eine Rekonstruktion auf der Basis der Bildgeometrie an. Die Motivation für diese Arbeit ist die These, dass es möglich sein sollte, die Struktur einer Szene durch Gruppierung geometrischer Primitive zu rekonstruieren, falls die Eingabedaten genügend redundant sind. Orientierte projektive Geometrie wird in dieser Arbeit zur Repräsentation geometrischer Primitive, wie Punkten, Linien und Ebenen in 2D und 3D sowie projektiver Kameras, zusammen mit ihrer Unsicherheit verwendet.Der erste Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Verwendung unsicherer orientierter projektiver Geometrie, anstatt von unsicherer projektiver Geometrie, welche die Repräsentation von komplexeren zusammengesetzten Objekten, wie Liniensegmenten und Polygonen in 2D und 3D sowie 2D Edgels und 3D Facetten, ermöglicht. Innerhalb dieser unsicheren orientierten projektiven Repräsentation wird ein Verfahren zum testen paarweiser Relationen zwischen den verschiedenen unsicheren orientierten projektiven geometrischen Elementen entwickelt. Dabei liegt die Neuheit wieder in der Möglichkeit, Relationen zwischen den neuen zusammengesetzten Elementen zu prüfen. Der zweite Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Datenstruktur, welche speziell auf die effiziente Prüfung von solchen Relationen zwischen vielen Elementen ausgelegt ist. Die Möglichkeit zur effizienten Prüfung von Relationen zwischen den geometrischen Elementen erlaubt nun die Entwicklung eines Systems zur Gruppierung dieser Elemente. Verschiedene Gruppierungsmethoden werden vorgestellt. Der dritte Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Gruppierungsmethode, die durch die Analyse der änderung der Entropie beim Hinzufügen von Beobachtungen in die Schätzung Effizienz und Robustheit gegeneinander ausbalanciert und dadurch bessere Gruppierungsergebnisse erzielt. Zum Schluss wird die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Repräsentationen, Tests und Gruppierungsmethoden für die ausschließlich geometriebasierte Gebäuderekonstruktion aus orientierten Luftbildern demonstriert. Es wird gezeigt, dass unter der Annahme von hoch redundanten Datensätzen vernünftige Rekonstruktionsergebnisse durch Gruppierung von geometrischen Primitiven erzielbar sind

Shape Representations Using Nested Descriptors

The problem of shape representation is a core problem in computer vision. It can be argued that shape representation is the most central representational problem for computer vision, since unlike texture or color, shape alone can be used for perceptual tasks such as image matching, object detection and object categorization. This dissertation introduces a new shape representation called the nested descriptor. A nested descriptor represents shape both globally and locally by pooling salient scaled and oriented complex gradients in a large nested support set. We show that this nesting property introduces a nested correlation structure that enables a new local distance function called the nesting distance, which provides a provably robust similarity function for image matching. Furthermore, the nesting property suggests an elegant flower like normalization strategy called a log-spiral difference. We show that this normalization enables a compact binary representation and is equivalent to a form a bottom up saliency. This suggests that the nested descriptor representational power is due to representing salient edges, which makes a fundamental connection between the saliency and local feature descriptor literature. In this dissertation, we introduce three examples of shape representation using nested descriptors: nested shape descriptors for imagery, nested motion descriptors for video and nested pooling for activities. We show evaluation results for these representations that demonstrate state-of-the-art performance for image matching, wide baseline stereo and activity recognition tasks