Text detection and recognition in natural images using computer vision techniques

El reconocimiento de texto en imágenes reales ha centrado la atención de muchos investigadores en todo el mundo en los últimos años. El motivo es el incremento de productos de bajo coste como teléfonos móviles o Tablet PCs que incorporan dispositivos de captura de imágenes y altas capacidades de procesamiento. Con estos antecedentes, esta tesis presenta un método robusto para detectar, localizar y reconocer texto horizontal en imágenes diurnas tomadas en escenarios reales. El reto es complejo dada la enorme variabilidad de los textos existentes y de las condiciones de captura en entornos reales. Inicialmente se presenta una revisión de los principales trabajos de los últimos años en el campo del reconocimiento de texto en imágenes naturales. Seguidamente, se lleva a cabo un estudio de las características más adecuadas para describir texto respecto de objetos no correspondientes con texto. Típicamente, un sistema de reconocimiento de texto en imágenes está formado por dos grandes etapas. La primera consiste en detectar si existe texto en la imagen y de localizarlo con la mayor precisión posible, minimizando la cantidad de texto no detectado así como el número de falsos positivos. La segunda etapa consiste en reconocer el texto extraído. El método de detección aquí propuesto está basado en análisis de componentes conexos tras aplicar una segmentación que combina un método global como MSER con un método local, de forma que se mejoran las propuestas del estado del arte al segmentar texto incluso en situaciones complejas como imágenes borrosas o de muy baja resolución. El proceso de análisis de los componentes conexos extraídos se optimiza mediante algoritmos genéticos. Al contrario que otros sistemas, nosotros proponemos un método recursivo que permite restaurar aquellos objetos correspondientes con texto y que inicialmente son erróneamente descartados. De esta forma, se consigue mejorar en gran medida la fiabilidad de la detección. Aunque el método propuesto está basado en análisis de componentes conexos, en esta tesis se utiliza también la idea de los métodos basados en texturas para validar las áreas de texto detectadas. Por otro lado, nuestro método para reconocer texto se basa en identificar cada caracter y aplicar posteriormente un modelo de lenguaje para corregir las palabras mal reconocidas, al restringir la solución a un diccionario que contiene el conjunto de posibles términos. Se propone una nueva característica para reconocer los caracteres, a la que hemos dado el nombre de Direction Histogram (DH). Se basa en calcular el histograma de las direcciones del gradiente en los pixeles de borde. Esta característica se compara con otras del estado del arte y los resultados experimentales obtenidos sobre una base de datos compleja muestran que nuestra propuesta es adecuada ya que supera otros trabajos del estado del arte. Presentamos también un método de clasificación borrosa de letras basado en KNN, el cual permite separar caracteres erróneamente conectados durante la etapa de segmentación. El método de reconocimiento de texto propuesto no es solo capaz de reconocer palabras, sino también números y signos de puntuación. El reconocimiento de palabras se lleva a cabo mediante un modelo de lenguaje basado en inferencia probabilística y el British National Corpus, un completo diccionario del inglés británico moderno, si bien el algoritmo puede ser fácilmente adaptado para ser usado con cualquier otro diccionario. El modelo de lenguaje utiliza una modificación del algoritmo forward usando en Modelos Ocultos de Markov. Para comprobar el rendimiento del sistema propuesto, se han obtenido resultados experimentales con distintas bases de datos, las cuales incluyen imágenes en diferentes escenarios y situaciones. Estas bases de datos han sido usadas como banco de pruebas en la última década por la mayoría de investigadores en el área de reconocimiento de texto en imágenes naturales. Los resultados muestran que el sistema propuesto logra un rendimiento similar al del estado del arte en términos de localización, mientras que lo supera en términos de reconocimiento. Con objeto de mostrar la aplicabilidad del método propuesto en esta tesis, se presenta también un sistema de detección y reconocimiento de la información contenida en paneles de tráfico basado en el algoritmo desarrollado. El objetivo de esta aplicación es la creación automática de inventarios de paneles de tráfico de países o regiones que faciliten el mantenimiento de la señalización vertical de las carreteras, usando imágenes disponibles en el servicio Street View de Google. Se ha creado una base de datos para esta aplicación. Proponemos modelar los paneles de tráfico usando apariencia visual en lugar de las clásicas soluciones que utilizan bordes o características geométricas, con objeto de detectar aquellas imágenes en las que existen paneles de tráfico. Los resultados experimentales muestran la viabilidad del sistema propuesto

Single View Modeling and View Synthesis

This thesis develops new algorithms to produce 3D content from a single camera. Today, amateurs can use hand-held camcorders to capture and display the 3D world in 2D, using mature technologies. However, there is always a strong desire to record and re-explore the 3D world in 3D. To achieve this goal, current approaches usually make use of a camera array, which suffers from tedious setup and calibration processes, as well as lack of portability, limiting its application to lab experiments. In this thesis, I try to produce the 3D contents using a single camera, making it as simple as shooting pictures. It requires a new front end capturing device rather than a regular camcorder, as well as more sophisticated algorithms. First, in order to capture the highly detailed object surfaces, I designed and developed a depth camera based on a novel technique called light fall-off stereo (LFS). The LFS depth camera outputs color+depth image sequences and achieves 30 fps, which is necessary for capturing dynamic scenes. Based on the output color+depth images, I developed a new approach that builds 3D models of dynamic and deformable objects. While the camera can only capture part of a whole object at any instance, partial surfaces are assembled together to form a complete 3D model by a novel warping algorithm. Inspired by the success of single view 3D modeling, I extended my exploration into 2D-3D video conversion that does not utilize a depth camera. I developed a semi-automatic system that converts monocular videos into stereoscopic videos, via view synthesis. It combines motion analysis with user interaction, aiming to transfer as much depth inferring work from the user to the computer. I developed two new methods that analyze the optical flow in order to provide additional qualitative depth constraints. The automatically extracted depth information is presented in the user interface to assist with user labeling work. In this thesis, I developed new algorithms to produce 3D contents from a single camera. Depending on the input data, my algorithm can build high fidelity 3D models for dynamic and deformable objects if depth maps are provided. Otherwise, it can turn the video clips into stereoscopic video

Classifiers and machine learning techniques for image processing and computer vision

Orientador: Siome Klein GoldensteinTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto da ComputaçãoResumo: Neste trabalho de doutorado, propomos a utilizaçãoo de classificadores e técnicas de aprendizado de maquina para extrair informações relevantes de um conjunto de dados (e.g., imagens) para solução de alguns problemas em Processamento de Imagens e Visão Computacional. Os problemas de nosso interesse são: categorização de imagens em duas ou mais classes, detecçãao de mensagens escondidas, distinção entre imagens digitalmente adulteradas e imagens naturais, autenticação, multi-classificação, entre outros. Inicialmente, apresentamos uma revisão comparativa e crítica do estado da arte em análise forense de imagens e detecção de mensagens escondidas em imagens. Nosso objetivo é mostrar as potencialidades das técnicas existentes e, mais importante, apontar suas limitações. Com esse estudo, mostramos que boa parte dos problemas nessa área apontam para dois pontos em comum: a seleção de características e as técnicas de aprendizado a serem utilizadas. Nesse estudo, também discutimos questões legais associadas a análise forense de imagens como, por exemplo, o uso de fotografias digitais por criminosos. Em seguida, introduzimos uma técnica para análise forense de imagens testada no contexto de detecção de mensagens escondidas e de classificação geral de imagens em categorias como indoors, outdoors, geradas em computador e obras de arte. Ao estudarmos esse problema de multi-classificação, surgem algumas questões: como resolver um problema multi-classe de modo a poder combinar, por exemplo, caracteríisticas de classificação de imagens baseadas em cor, textura, forma e silhueta, sem nos preocuparmos demasiadamente em como normalizar o vetor-comum de caracteristicas gerado? Como utilizar diversos classificadores diferentes, cada um, especializado e melhor configurado para um conjunto de caracteristicas ou classes em confusão? Nesse sentido, apresentamos, uma tecnica para fusão de classificadores e caracteristicas no cenário multi-classe através da combinação de classificadores binários. Nós validamos nossa abordagem numa aplicação real para classificação automática de frutas e legumes. Finalmente, nos deparamos com mais um problema interessante: como tornar a utilização de poderosos classificadores binarios no contexto multi-classe mais eficiente e eficaz? Assim, introduzimos uma tecnica para combinação de classificadores binarios (chamados classificadores base) para a resolução de problemas no contexto geral de multi-classificação.Abstract: In this work, we propose the use of classifiers and machine learning techniques to extract useful information from data sets (e.g., images) to solve important problems in Image Processing and Computer Vision. We are particularly interested in: two and multi-class image categorization, hidden messages detection, discrimination among natural and forged images, authentication, and multiclassification. To start with, we present a comparative survey of the state-of-the-art in digital image forensics as well as hidden messages detection. Our objective is to show the importance of the existing solutions and discuss their limitations. In this study, we show that most of these techniques strive to solve two common problems in Machine Learning: the feature selection and the classification techniques to be used. Furthermore, we discuss the legal and ethical aspects of image forensics analysis, such as, the use of digital images by criminals. We introduce a technique for image forensics analysis in the context of hidden messages detection and image classification in categories such as indoors, outdoors, computer generated, and art works. From this multi-class classification, we found some important questions: how to solve a multi-class problem in order to combine, for instance, several different features such as color, texture, shape, and silhouette without worrying about the pre-processing and normalization of the combined feature vector? How to take advantage of different classifiers, each one custom tailored to a specific set of classes in confusion? To cope with most of these problems, we present a feature and classifier fusion technique based on combinations of binary classifiers. We validate our solution with a real application for automatic produce classification. Finally, we address another interesting problem: how to combine powerful binary classifiers in the multi-class scenario more effectively? How to boost their efficiency? In this context, we present a solution that boosts the efficiency and effectiveness of multi-class from binary techniques.DoutoradoEngenharia de ComputaçãoDoutor em Ciência da Computaçã

Artificial Intelligence in geospatial analysis: applications of self-organizing maps in the context of geographic information science.

A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor in Information Management, specialization in Geographic Information SystemsThe size and dimensionality of available geospatial repositories increases every day, placing additional pressure on existing analysis tools, as they are expected to extract more knowledge from these databases. Most of these tools were created in a data poor environment and thus rarely address concerns of efficiency, dimensionality and automatic exploration. In addition, traditional statistical techniques present several assumptions that are not realistic in the geospatial data domain. An example of this is the statistical independence between observations required by most classical statistics methods, which conflicts with the well-known spatial dependence that exists in geospatial data. Artificial intelligence and data mining methods constitute an alternative to explore and extract knowledge from geospatial data, which is less assumption dependent. In this thesis, we study the possible adaptation of existing general-purpose data mining tools to geospatial data analysis. The characteristics of geospatial datasets seems to be similar in many ways with other aspatial datasets for which several data mining tools have been used with success in the detection of patterns and relations. It seems, however that GIS-minded analysis and objectives require more than the results provided by these general tools and adaptations to meet the geographical information scientist‟s requirements are needed. Thus, we propose several geospatial applications based on a well-known data mining method, the self-organizing map (SOM), and analyse the adaptations required in each application to fulfil those objectives and needs. Three main fields of GIScience are covered in this thesis: cartographic representation; spatial clustering and knowledge discovery; and location optimization.(...