Data-driven shape analysis and processing

Data-driven methods serve an increasingly important role in discovering geometric, structural, and semantic relationships between shapes. In contrast to traditional approaches that process shapes in isolation of each other, data-driven methods aggregate information from 3D model collections to improve the analysis, modeling and editing of shapes. Through reviewing the literature, we provide an overview of the main concepts and components of these methods, as well as discuss their application to classification, segmentation, matching, reconstruction, modeling and exploration, as well as scene analysis and synthesis. We conclude our report with ideas that can inspire future research in data-driven shape analysis and processing

Physics-based Reconstruction and Animation of Humans

Creating digital representations of humans is of utmost importance for applications ranging from entertainment (video games, movies) to human-computer interaction and even psychiatrical treatments. What makes building credible digital doubles difficult is the fact that the human vision system is very sensitive to perceiving the complex expressivity and potential anomalies in body structures and motion. This thesis will present several projects that tackle these problems from two different perspectives: lightweight acquisition and physics-based simulation. It starts by describing a complete pipeline that allows users to reconstruct fully rigged 3D facial avatars using video data coming from a handheld device (e.g., smartphone). The avatars use a novel two-scale representation composed of blendshapes and dynamic detail maps. They are constructed through an optimization that integrates feature tracking, optical flow, and shape from shading. Continuing along the lines of accessible acquisition systems, we discuss a framework for simultaneous tracking and modeling of articulated human bodies from RGB-D data. We show how semantic information can be extracted from the scanned body shapes. In the second half of the thesis, we will deviate from using standard linear reconstruction and animation models, and rather focus on exploiting physics-based techniques that are able to incorporate complex phenomena such as dynamics, collision response and incompressibility of the materials. The first approach we propose assumes that each 3D scan of an actor records his body in a physical steady state and uses a process called inverse physics to extract a volumetric physics-ready anatomical model of him. By using biologically-inspired growth models for the bones, muscles and fat, our method can obtain realistic anatomical reconstructions that can be later on animated using external tracking data such as the one resulting from tracking motion capture markers. This is then extended to a novel physics-based approach for facial reconstruction and animation. We propose a facial animation model which simulates biomechanical muscle contractions in a volumetric head model in order to create the facial expressions seen in the input scans. We then show how this approach allows for new avenues of dynamic artistic control, simulation of corrective facial surgery, and interaction with external forces and objects

Research in progress in applied mathematics, numerical analysis, fluid mechanics, and computer science

This report summarizes research conducted at the Institute for Computer Applications in Science and Engineering in applied mathematics, fluid mechanics, and computer science during the period October 1, 1993 through March 31, 1994. The major categories of the current ICASE research program are: (1) applied and numerical mathematics, including numerical analysis and algorithm development; (2) theoretical and computational research in fluid mechanics in selected areas of interest to LaRC, including acoustics and combustion; (3) experimental research in transition and turbulence and aerodynamics involving LaRC facilities and scientists; and (4) computer science

Biometric Systems

Biometric authentication has been widely used for access control and security systems over the past few years. The purpose of this book is to provide the readers with life cycle of different biometric authentication systems from their design and development to qualification and final application. The major systems discussed in this book include fingerprint identification, face recognition, iris segmentation and classification, signature verification and other miscellaneous systems which describe management policies of biometrics, reliability measures, pressure based typing and signature verification, bio-chemical systems and behavioral characteristics. In summary, this book provides the students and the researchers with different approaches to develop biometric authentication systems and at the same time includes state-of-the-art approaches in their design and development. The approaches have been thoroughly tested on standard databases and in real world applications

State of the Art in Face Recognition

Notwithstanding the tremendous effort to solve the face recognition problem, it is not possible yet to design a face recognition system with a potential close to human performance. New computer vision and pattern recognition approaches need to be investigated. Even new knowledge and perspectives from different fields like, psychology and neuroscience must be incorporated into the current field of face recognition to design a robust face recognition system. Indeed, many more efforts are required to end up with a human like face recognition system. This book tries to make an effort to reduce the gap between the previous face recognition research state and the future state

Exploiting Spatio-Temporal Coherence for Video Object Detection in Robotics

This paper proposes a method to enhance video object detection for indoor environments in robotics. Concretely, it exploits knowledge about the camera motion between frames to propagate previously detected objects to successive frames. The proposal is rooted in the concepts of planar homography to propose regions of interest where to find objects, and recursive Bayesian filtering to integrate observations over time. The proposal is evaluated on six virtual, indoor environments, accounting for the detection of nine object classes over a total of ∼ 7k frames. Results show that our proposal improves the recall and the F1-score by a factor of 1.41 and 1.27, respectively, as well as it achieves a significant reduction of the object categorization entropy (58.8%) when compared to a two-stage video object detection method used as baseline, at the cost of small time overheads (120 ms) and precision loss (0.92).</p

Stereo based 3d head pose tracking using the scale invariant feature transform

In this thesis a new stereo-based 3D head tracking technique, based on scale invariant feature transform (SIFT) features, that is robust to illumination changes is proposed. Also two major tracking techniques, one based on normal flow constraints (NFC) and a 3D registration-based method, based on iterative closest point (ICP) algorithm, are reviewed and compared against the proposed technique. A 3D head tracker is very important for many vision applications. The resulting tracker output parameters can be used to generate a stabilized view of the face that can be used as input to many existing 2D techniques such as facial expression analysis, lip reading, eye tracking, and face recognition. Our system can automatically initialize using a simple 2D face detector. We extract salient points from the intensity images using SIFT features and match them between frames. Together with the depth image and the matched features we obtain 3D correspondences. Using the unit quaternion method, we recover the 3D motion parameters. Our proposed method outperforms both NFC and ICP on translations; and performs as good as NFC on rotations. Experimentally, the proposed system is less likely to drift than NFC and ICP over long sequences and is robust to illumination changes. We present experiments to test the accuracy of our SIFT-based 3D tracker on sequences of synthetic and real stereo images

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Weakly-Labeled Data and Identity-Normalization for Facial Image Analysis

RÉSUMÉ Cette thèse traite de l’amélioration de la reconnaissance faciale et de l’analyse de l’expression du visage en utilisant des sources d’informations faibles. Les données étiquetées sont souvent rares, mais les données non étiquetées contiennent souvent des informations utiles pour l’apprentissage d’un modèle. Cette thèse décrit deux exemples d’utilisation de cette idée. Le premier est une nouvelle méthode pour la reconnaissance faciale basée sur l’exploitation de données étiquetées faiblement ou bruyamment. Les données non étiquetées peuvent être acquises d’une manière qui offre des caractéristiques supplémentaires. Ces caractéristiques, tout en n’étant pas disponibles pour les données étiquetées, peuvent encore être utiles avec un peu de prévoyance. Cette thèse traite de la combinaison d’un ensemble de données étiquetées pour la reconnaissance faciale avec des images des visages extraits de vidéos sur YouTube et des images des visages obtenues à partir d’un moteur de recherche. Le moteur de recherche web et le moteur de recherche vidéo peuvent être considérés comme de classificateurs très faibles alternatifs qui fournissent des étiquettes faibles. En utilisant les résultats de ces deux types de requêtes de recherche comme des formes d’étiquettes faibles différents, une méthode robuste pour la classification peut être développée. Cette méthode est basée sur des modèles graphiques, mais aussi incorporant une marge probabiliste. Plus précisément, en utilisant un modèle inspiré par la variational relevance vector machine (RVM), une alternative probabiliste à la support vector machine (SVM) est développée. Contrairement aux formulations précédentes de la RVM, le choix d’une probabilité a priori exponentielle est introduit pour produire une approximation de la pénalité L1. Les résultats expérimentaux où les étiquettes bruyantes sont simulées, et les deux expériences distinctes où les étiquettes bruyantes de l’image et les résultats de recherche vidéo en utilisant des noms comme les requêtes indiquent que l’information faible dans les étiquettes peut être exploitée avec succès. Puisque le modèle dépend fortement des méthodes noyau de régression clairsemées, ces méthodes sont examinées et discutées en détail. Plusieurs algorithmes différents utilisant les distributions a priori pour encourager les modèles clairsemés sont décrits en détail. Des expériences sont montrées qui illustrent le comportement de chacune de ces distributions. Utilisés en conjonction avec la régression logistique, les effets de chaque distribution sur l’ajustement du modèle et la complexité du modèle sont montrés. Les extensions aux autres méthodes d’apprentissage machine sont directes, car l’approche est ancrée dans la probabilité bayésienne. Une expérience dans la prédiction structurée utilisant un conditional random field pour une tâche d’imagerie médicale est montrée pour illustrer comment ces distributions a priori peuvent être incorporées facilement à d’autres tâches et peuvent donner de meilleurs résultats. Les données étiquetées peuvent également contenir des sources faibles d’informations qui ne peuvent pas nécessairement être utilisées pour un effet maximum. Par exemple les ensembles de données d’images des visages pour les tâches tels que, l’animation faciale contrôlée par les performances des comédiens, la reconnaissance des émotions, et la prédiction des points clés ou les repères du visage contiennent souvent des étiquettes alternatives par rapport à la tâche d’internet principale. Dans les données de reconnaissance des émotions, par exemple, des étiquettes de l’émotion sont souvent rares. C’est peut-être parce que ces images sont extraites d’une vidéo, dans laquelle seul un petit segment représente l’étiquette de l’émotion. En conséquence, de nombreuses images de l’objet sont dans le même contexte en utilisant le même appareil photo ne sont pas utilisés. Toutefois, ces données peuvent être utilisées pour améliorer la capacité des techniques d’apprentissage de généraliser pour des personnes nouvelles et pas encore vues en modélisant explicitement les variations vues précédemment liées à l’identité et à l’expression. Une fois l’identité et de la variation de l’expression sont séparées, les approches supervisées simples peuvent mieux généraliser aux identités de nouveau. Plus précisément, dans cette thèse, la modélisation probabiliste de ces sources de variation est utilisée pour identité normaliser et des diverses représentations d’images faciales. Une variété d’expériences sont décrites dans laquelle la performance est constamment améliorée, incluant la reconnaissance des émotions, les animations faciales contrôlées par des visages des comédiens sans marqueurs et le suivi des points clés sur des visages. Dans de nombreux cas dans des images faciales, des sources d’information supplémentaire peuvent être disponibles qui peuvent être utilisées pour améliorer les tâches d’intérêt. Cela comprend des étiquettes faibles qui sont prévues pendant la collecte des données, telles que la requête de recherche utilisée pour acquérir des données, ainsi que des informations d’identité dans le cas de plusieurs bases de données d’images expérimentales. Cette thèse soutient en principal que cette information doit être utilisée et décrit les méthodes pour le faire en utilisant les outils de la probabilité.----------ABSTRACT This thesis deals with improving facial recognition and facial expression analysis using weak sources of information. Labeled data is often scarce, but unlabeled data often contains information which is helpful to learning a model. This thesis describes two examples of using this insight. The first is a novel method for face-recognition based on leveraging weak or noisily labeled data. Unlabeled data can be acquired in a way which provides additional features. These features, while not being available for the labeled data, may still be useful with some foresight. This thesis discusses combining a labeled facial recognition dataset with face images extracted from videos on YouTube and face images returned from using a search engine. The web search engine and the video search engine can be viewed as very weak alternative classifier which provide “weak labels.” Using the results from these two different types of search queries as forms of weak labels, a robust method for classification can be developed. This method is based on graphical models, but also encorporates a probabilistic margin. More specifically, using a model inspired by the variational relevance vector machine (RVM), a probabilistic alternative to transductive support vector machines (TSVM) is further developed. In contrast to previous formulations of RVMs, the choice of an Exponential hyperprior is introduced to produce an approximation to the L1 penalty. Experimental results where noisy labels are simulated and separate experiments where noisy labels from image and video search results using names as queries both indicate that weak label information can be successfully leveraged. Since the model depends heavily on sparse kernel regression methods, these methods are reviewed and discussed in detail. Several different sparse priors algorithms are described in detail. Experiments are shown which illustrate the behavior of each of these sparse priors. Used in conjunction with logistic regression, each sparsity inducing prior is shown to have varying effects in terms of sparsity and model fit. Extending this to other machine learning methods is straight forward since it is grounded firmly in Bayesian probability. An experiment in structured prediction using Conditional Random Fields on a medical image task is shown to illustrate how sparse priors can easily be incorporated in other tasks, and can yield improved results. Labeled data may also contain weak sources of information that may not necessarily be used to maximum effect. For example, facial image datasets for the tasks of performance driven facial animation, emotion recognition, and facial key-point or landmark prediction often contain alternative labels from the task at hand. In emotion recognition data, for example, emotion labels are often scarce. This may be because these images are extracted from a video, in which only a small segment depicts the emotion label. As a result, many images of the subject in the same setting using the same camera are unused. However, this data can be used to improve the ability of learning techniques to generalize to new and unseen individuals by explicitly modeling previously seen variations related to identity and expression. Once identity and expression variation are separated, simpler supervised approaches can work quite well to generalize to unseen subjects. More specifically, in this thesis, probabilistic modeling of these sources of variation is used to “identity-normalize” various facial image representations. A variety of experiments are described in which performance on emotion recognition, markerless performance-driven facial animation and facial key-point tracking is consistently improved. This includes an algorithm which shows how this kind of normalization can be used for facial key-point localization. In many cases in facial images, sources of information may be available that can be used to improve tasks. This includes weak labels which are provided during data gathering, such as the search query used to acquire data, as well as identity information in the case of many experimental image databases. This thesis argues in main that this information should be used and describes methods for doing so using the tools of probability