Apprentissage profond pour vision stéréoscopique multispectrale

RÉSUMÉ: Ce mémoire présente des méthodes pour estimer les disparités des humains, soit le déplacement entre les pixels des silhouettes humaines, entre des images visibles (RGB) et infrarouges (LWIR). Le but est que, pour chaque pixel dans l’image de gauche, on soit capable de trouver le pixel correspondant dans l’image de droite. Ceci permet de mettre en correspondance les objets d’intérêts d’une scène et peut être utile dans des applications de vidéosurveillance ou de voitures autonomes. Différents facteurs rendent cette tâche plutôt difficile. En plus des difficultés reliées à la nature stéréo du problème, il y a aussi la difficulté de travailler avec deux spectres différents qui n’ont pas beaucoup d’information en commun. Ceci cause beaucoup de problèmes lorsqu’il est temps d’établir des correspondances entre les images. Les méthodes de la littérature se basent sur des descripteurs classiques, mais nous croyons qu’il est possible d’obtenir des méthodes plus performantes si on utilise des réseaux de neurones convolutifs.----------ABSTRACT:This thesis presents new methods to do disparity estimation for human subjects, defined as the distance between pixels on the human silhouettes, between images from the visible (RGB) and infrared domains (LWIR). The goal of disparity estimation is, for each pixel in the left image, to find the corresponding pixel in the right image. This allows the correspondence of objects of interest, which can be useful in applications such as video surveillance and autonomous vehicles. Many factors make this task difficult. It has difficulties related to the stereo aspect of the problem, as well as having to establish correspondences between images from different domains, which is hard since there is not much common information between those. Methods in the literature are based on handcrafted feature descriptors, but we believe that it is possible to obtain better methods if we use convolutional neural networks

Deep learning in remote sensing: a review

Standing at the paradigm shift towards data-intensive science, machine learning techniques are becoming increasingly important. In particular, as a major breakthrough in the field, deep learning has proven as an extremely powerful tool in many fields. Shall we embrace deep learning as the key to all? Or, should we resist a 'black-box' solution? There are controversial opinions in the remote sensing community. In this article, we analyze the challenges of using deep learning for remote sensing data analysis, review the recent advances, and provide resources to make deep learning in remote sensing ridiculously simple to start with. More importantly, we advocate remote sensing scientists to bring their expertise into deep learning, and use it as an implicit general model to tackle unprecedented large-scale influential challenges, such as climate change and urbanization.Comment: Accepted for publication IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazin

There and Back Again: Self-supervised Multispectral Correspondence Estimation

Across a wide range of applications, from autonomous vehicles to medical imaging, multi-spectral images provide an opportunity to extract additional information not present in color images. One of the most important steps in making this information readily available is the accurate estimation of dense correspondences between different spectra. Due to the nature of cross-spectral images, most correspondence solving techniques for the visual domain are simply not applicable. Furthermore, most cross-spectral techniques utilize spectra-specific characteristics to perform the alignment. In this work, we aim to address the dense correspondence estimation problem in a way that generalizes to more than one spectrum. We do this by introducing a novel cycle-consistency metric that allows us to self-supervise. This, combined with our spectra-agnostic loss functions, allows us to train the same network across multiple spectra. We demonstrate our approach on the challenging task of dense RGB-FIR correspondence estimation. We also show the performance of our unmodified network on the cases of RGB-NIR and RGB-RGB, where we achieve higher accuracy than similar self-supervised approaches. Our work shows that cross-spectral correspondence estimation can be solved in a common framework that learns to generalize alignment across spectra

SSA-LHCD: a singular spectrum analysis-driven lightweight network with 2-D self-attention for hyperspectral change detection.

As an emerging research hotspot in contemporary remote sensing, hyperspectral change detection (HCD) has attracted increasing attention in remote sensing Earth observation, covering land mapping changes and anomaly detection. This is primarily attributable to the unique capacity of hyperspectral imagery (HSI) to amalgamate both the spectral and spatial information in the scene, facilitating a more exhaustive analysis and change detection on the Earth's surface, proving to be successful across diverse domains, such as disaster monitoring and geological surveys. Although numerous HCD algorithms have been developed, most of them face three major challenges: (i) susceptibility to inherent data noise, (ii) inconsistent accuracy of detection, especially when dealing with multi-scale changes, and (iii) extensive hyperparameters and high computational costs. As such, we propose a singular spectrum analysis-driven-lightweight network for HCD, where three crucial components are incorporated to tackle these challenges. Firstly, singular spectrum analysis (SSA) is applied to alleviate the effect of noise. Next, a 2-D self-attention-based spatial–spectral feature-extraction module is employed to effectively handle multi-scale changes. Finally, a residual block-based module is designed to effectively extract the spectral features for efficiency. Comprehensive experiments on three publicly available datasets have fully validated the superiority of the proposed SSA-LHCD model over eight state-of-the-art HCD approaches, including four deep learning models

Deep Learning Meets Hyperspectral Image Analysis: A Multidisciplinary Review

Modern hyperspectral imaging systems produce huge datasets potentially conveying a great abundance of information; such a resource, however, poses many challenges in the analysis and interpretation of these data. Deep learning approaches certainly offer a great variety of opportunities for solving classical imaging tasks and also for approaching new stimulating problems in the spatial–spectral domain. This is fundamental in the driving sector of Remote Sensing where hyperspectral technology was born and has mostly developed, but it is perhaps even more true in the multitude of current and evolving application sectors that involve these imaging technologies. The present review develops on two fronts: on the one hand, it is aimed at domain professionals who want to have an updated overview on how hyperspectral acquisition techniques can combine with deep learning architectures to solve specific tasks in different application fields. On the other hand, we want to target the machine learning and computer vision experts by giving them a picture of how deep learning technologies are applied to hyperspectral data from a multidisciplinary perspective. The presence of these two viewpoints and the inclusion of application fields other than Remote Sensing are the original contributions of this review, which also highlights some potentialities and critical issues related to the observed development trends

Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet

Deep Learning in Remote Sensing: A Comprehensive Review and List of Resources

Central to the looming paradigm shift toward data-intensive science, machine-learning techniques are becoming increasingly important. In particular, deep learning has proven to be both a major breakthrough and an extremely powerful tool in many fields. Shall we embrace deep learning as the key to everything? Or should we resist a black-box solution? These are controversial issues within the remote-sensing community. In this article, we analyze the challenges of using deep learning for remote-sensing data analysis, review recent advances, and provide resources we hope will make deep learning in remote sensing seem ridiculously simple. More importantly, we encourage remote-sensing scientists to bring their expertise into deep learning and use it as an implicit general model to tackle unprecedented, large-scale, influential challenges, such as climate change and urbanization

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

Learning representations in the hyperspectral domain in aerial imagery

We establish two new datasets with baselines and network architectures for the task of hyperspectral image analysis. The first dataset, AeroRIT, is a moving camera static scene captured from a flight and contains per pixel labeling across five categories for the task of semantic segmentation. The second dataset, RooftopHSI, helps design and interpret learnt features on hyperspectral object detection on scenes captured from an university rooftop. This dataset accounts for static camera, moving scene hyperspectral imagery. We further broaden the scope of our understanding of neural networks with the development of two novel algorithms - S4AL and S4AL+. We develop these frameworks on natural (color) imagery, by combining semi-supervised learning and active learning, and display promising results for learning with limited amount of labeled data, which can be extended to hyperspectral imagery. In this dissertation, we curated two new datasets for hyperspectral image analysis, significantly larger than existing datasets and broader in terms of categories for classification. We then adapt existing neural network architectures to function on the increased channel information, in a smart manner, to leverage all hyperspectral information. We also develop novel active learning algorithms on natural (color) imagery, and discuss the hope for expanding their functionality to hyperspectral imagery