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

Mixed Reality and Remote Sensing Application of Unmanned Aerial Vehicle in Fire and Smoke Detection

This paper proposes the development of a system incorporating inertial measurement unit (IMU), a consumer-grade digital camera and a fire detection algorithm simultaneously with a nano Unmanned Aerial Vehicle (UAV) for inspection purposes. The video streams are collected through the monocular camera and navigation relied on the state-of-the-art indoor/outdoor Simultaneous Localisation and Mapping (SLAM) system. It implements the robotic operating system (ROS) and computer vision algorithm to provide a robust, accurate and unique inter-frame motion estimation. The collected onboard data are communicated to the ground station and used the SLAM system to generate a map of the environment. A robust and efficient re-localization was performed to recover from tracking failure, motion blur, and frame lost in the data received. The fire detection algorithm was deployed based on the colour, movement attributes, temporal variation of fire intensity and its accumulation around a point. The cumulative time derivative matrix was utilized to analyze the frame-by-frame changes and to detect areas with high-frequency luminance flicker (random characteristic). Colour, surface coarseness, boundary roughness, and skewness features were perceived as the quadrotor flew autonomously within the clutter and congested area. Mixed Reality system was adopted to visualize and test the proposed system in a physical environment, and the virtual simulation was conducted through the Unity game engine. The results showed that the UAV could successfully detect fire and flame, autonomously fly towards and hover around it, communicate with the ground station and simultaneously generate a map of the environment. There was a slight error between the real and virtual UAV calibration due to the ground truth data and the correlation complexity of tracking real and virtual camera coordinate frames

Adaptive Image Restoration: Perception Based Neural Nework Models and Algorithms.

Abstract This thesis describes research into the field of image restoration. Restoration is a process by which an image suffering some form of distortion or degradation can be recovered to its original form. Two primary concepts within this field have been investigated. The first concept is the use of a Hopfield neural network to implement the constrained least square error method of image restoration. In this thesis, the author reviews previous neural network restoration algorithms in the literature and builds on these algorithms to develop a new faster version of the Hopfield neural network algorithm for image restoration. The versatility of the neural network approach is then extended by the author to deal with the cases of spatially variant distortion and adaptive regularisation. It is found that using the Hopfield-based neural network approach, an image suffering spatially variant degradation can be accurately restored without a substantial penalty in restoration time. In addition, the adaptive regularisation restoration technique presented in this thesis is shown to produce superior results when compared to non-adaptive techniques and is particularly effective when applied to the difficult, yet important, problem of semi-blind deconvolution. The second concept investigated in this thesis, is the difficult problem of incorporating concepts involved in human visual perception into image restoration techniques. In this thesis, the author develops a novel image error measure which compares two images based on the differences between local regional statistics rather than pixel level differences. This measure more closely corresponds to the way humans perceive the differences between two images. Two restoration algorithms are developed by the author based on versions of the novel image error measure. It is shown that the algorithms which utilise this error measure have improved performance and produce visually more pleasing images in the cases of colour and grayscale images under high noise conditions. Most importantly, the perception based algorithms are shown to be extremely tolerant of faults in the restoration algorithm and hence are very robust. A number of experiments have been performed to demonstrate the performance of the various algorithms presented

Object Tracking

Object tracking consists in estimation of trajectory of moving objects in the sequence of images. Automation of the computer object tracking is a difficult task. Dynamics of multiple parameters changes representing features and motion of the objects, and temporary partial or full occlusion of the tracked objects have to be considered. This monograph presents the development of object tracking algorithms, methods and systems. Both, state of the art of object tracking methods and also the new trends in research are described in this book. Fourteen chapters are split into two sections. Section 1 presents new theoretical ideas whereas Section 2 presents real-life applications. Despite the variety of topics contained in this monograph it constitutes a consisted knowledge in the field of computer object tracking. The intention of editor was to follow up the very quick progress in the developing of methods as well as extension of the application