Linking Visual Development and Learning to Information Processing: Preattentive and Attentive Brain Dynamics

National Science Foundation (SBE-0354378); Office of Naval Research (N00014-95-1-0657

Face Recognition Using Fractal Codes

In this paper we propose a new method for face recognition using fractal codes. Fractal codes represent local contractive, affine transformations which when iteratively applied to range-domain pairs in an arbitrary initial image result in a fixed point close to a given image. The transformation parameters such as brightness offset, contrast factor, orientation and the address of the corresponding domain for each range are used directly as features in our method. Features of an unknown face image are compared with those pre-computed for images in a database. There is no need to iterate, use fractal neighbor distances or fractal dimensions for comparison in the proposed method. This method is robust to scale change, frame size change and rotations as well as to some noise, facial expressions and blur distortion in the imag

Word matching using single closed contours for indexing handwritten historical documents

Effective indexing is crucial for providing convenient access to scanned versions of large collections of historically valuable handwritten manuscripts. Since traditional handwriting recognizers based on optical character recognition (OCR) do not perform well on historical documents, recently a holistic word recognition approach has gained in popularity as an attractive and more straightforward solution (Lavrenko et al. in proc. document Image Analysis for Libraries (DIAL’04), pp. 278–287, 2004). Such techniques attempt to recognize words based on scalar and profile-based features extracted from whole word images. In this paper, we propose a new approach to holistic word recognition for historical handwritten manuscripts based on matching word contours instead of whole images or word profiles. The new method consists of robust extraction of closed word contours and the application of an elastic contour matching technique proposed originally for general shapes (Adamek and O’Connor in IEEE Trans Circuits Syst Video Technol 5:2004). We demonstrate that multiscale contour-based descriptors can effectively capture intrinsic word features avoiding any segmentation of words into smaller subunits. Our experiments show a recognition accuracy of 83%, which considerably exceeds the performance of other systems reported in the literature

Linking Visual Cortical Development to Visual Perception

Defense Advanced Research Projects Agency and the Office of Naval Research (N00014-95-1-0409); National Science Foundation (IRI-97-20333); Office of Naval Research (N00014-95-1-0657

Informationsrouting, Korrespondenzfindung und Objekterkennung im Gehirn

The dissertation deals with the general problem of how the brain can establish correspondences between neural patterns stored in different cortical areas. Although an important capability in many cognitive areas like language understanding, abstract reasoning, or motor control, this thesis concentrates on invariant object recognition as application of correspondence finding. One part of the work presents a correspondence-based, neurally plausible system for face recognition. Other parts address the question of visual information routing over several stages by proposing optimal architectures for such routing ('switchyards') and deriving ontogenetic mechanisms for the growth of switchyards. Finally, the idea of multi-stage routing is united with the object recognition system introduced before, making suggestions of how the so far distinct feature-based and correspondence-based approaches to object recognition could be reconciled.Allgemein gesprochen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Frage, wie das Gehirn Korrespondenzen zwischen Aktivitätsmustern finden kann. Dies ist ein zentrales Thema in der visuellen Objekterkennung, hat aber Bedeutung für alle Bereiche der neuronalen Datenverarbeitung vom Hören bis zum abstrakten Denken. Das Korrespondenzfinden sollte invariant gegenüber Veränderungen sein, die das Erscheinungsbild, aber nicht die Bedeutung der Muster ändern. Außerdem sollte es auch funktionieren, wenn die beiden Muster nicht direkt, sondern nur über Zwischenstationen miteinander verbunden sind. Voraussetzungen für das invariante Korrespondenzfinden zwischen Mustern sind einerseits die Existenz sinnvoller Verbindungsstrukturen, und andererseits ein prinzipieller neuronaler Mechanismus zum Finden von Korrespondenzen. Mit einem prinzipiellen Korrespondenzfindungsmechanismus befasst sich Kapitel 2 der Arbeit. Dieser beruht auf dynamischen Links zwischen den Punkten beider Muster, die durch punktuelle ähnlichkeit der Muster und globale Konsistenz mit benachbarten Links aktiviert werden. In mehrschichtigen Systemen können dynamische Links außer zur Korrespondenzfindung auch zum kontrollierten Routing von Information verwendet werden. Unter Verwendung dieser Eigenschaft wird in Kapitel 2 ein Gesichtserkennungssystem entwickelt, das invariant gegenüber Verschiebung und robust gegenüber Verformungen ist und gute Performanz auf Benchmarkdatenbanken In Kapitel 3 wird untersucht, was die sparsamste Methode ist, neuronale Muster so zu verbinden, dass es von jedem Punkt des einen Musters einen Pfad zu jedem Punkt des anderen gibt und visuelle Information von einem Muster zum anderen geroutet werden kann. Dabei wird die Gesamtmenge an benötigten neuronalen Ressourcen, also sowohl Verbindungen als auch merkmalrepräsentierende Einheiten der Zwischenschichten, minimiert. Dies führt zu mehrstufigen Strukturen mit weit gespreizten, aber dünn besetzten Verästelungen, die wir Switchyards nennen. Bei der Interpretation der Ergebnisse zeigt sich, dass Switchyards mit den qualitativen und quantitativen Gegebenheiten im Primatenhirn vereinbar sind, soweit diese bekannt sind. Kapitel 4 beschäftigt sich mit der Frage, wie solche doch recht komplizierten neuronalen Verbindungsstrukturen ontogenetisch entstehen können. Es wird ein möglicher Mechanismus vorgestellt, der auf chemischen Markern basiert. Die Marker werden von den Einheiten der untersten Schicht gebildet und diffundieren durch die entstehenden Verbindungen nach oben. Verbindungen wachsen bevorzugt zwischen Einheiten, die sehr unähnliche chemische Marker enthalten. Die resultierenden Verbindungsstrukturen sind beinahe identisch mit den in Kapitel 3 analytisch hergeleiteten Architekturen und biologisch sogar noch plausibler. Kapitel 5 führt die Ideen der vorangegangenen Kapitel zusammen, um das Korrespondenzfinden zwischen Mustern über mehrstufige Routingstrukturen hinweg zu realisieren. Es wird gezeigt, wie mit Hilfe von Switchyards Korrespondenzen zwischen normalen'' visuellen Mustern gefunden werden können, obwohl anfangs keine der einzelnen Stufen des Switchyards auf beiden Seiten Muster anliegen hat, die miteinander abgeglichen werden könnten. Im Anschluss wird das Prinzip zu einem vollständigen Erkennungssystem ausgebaut, das über mehrere Routingstufen hinweg ein gegebenes Eingangsmuster positionsinvariant einem mehrerer gespeicherter Muster zuordnen kann

Mixed marker-based/marker-less visual odometry system for mobile robots

When moving in generic indoor environments, robotic platforms generally rely solely on information provided by onboard sensors to determine their position and orientation. However, the lack of absolute references often leads to the introduction of severe drifts in estimates computed, making autonomous operations really hard to accomplish. This paper proposes a solution to alleviate the impact of the above issues by combining two vision‐based pose estimation techniques working on relative and absolute coordinate systems, respectively. In particular, the unknown ground features in the images that are captured by the vertical camera of a mobile platform are processed by a vision‐based odometry algorithm, which is capable of estimating the relative frame‐to‐frame movements. Then, errors accumulated in the above step are corrected using artificial markers displaced at known positions in the environment. The markers are framed from time to time, which allows the robot to maintain the drifts bounded by additionally providing it with the navigation commands needed for autonomous flight. Accuracy and robustness of the designed technique are demonstrated using an off‐the‐shelf quadrotor via extensive experimental test

The Complementary Brain: From Brain Dynamics To Conscious Experiences

How do our brains so effectively achieve adaptive behavior in a changing world? Evidence is reviewed that brains are organized into parallel processing streams with complementary properties. Hierarchical interactions within each stream and parallel interactions between streams create coherent behavioral representations that overcome the complementary deficiencies of each stream and support unitary conscious experiences. This perspective suggests how brain design reflects the organization of the physical world with which brains interact, and suggests an alternative to the computer metaphor suggesting that brains are organized into independent modules. Examples from perception, learning, cognition, and action are described, and theoretical concepts and mechanisms by which complementarity is accomplished are summarized.Defense Advanced Research Projects and the Office of Naval Research (N00014-95-1-0409); National Science Foundation (ITI-97-20333); Office of Naval Research (N00014-95-1-0657

Competencies, Technological Change and Network Dynamics. The case of the bio-pharmaceutical industry

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