A Survey on Metric Learning for Feature Vectors and Structured Data

The need for appropriate ways to measure the distance or similarity between data is ubiquitous in machine learning, pattern recognition and data mining, but handcrafting such good metrics for specific problems is generally difficult. This has led to the emergence of metric learning, which aims at automatically learning a metric from data and has attracted a lot of interest in machine learning and related fields for the past ten years. This survey paper proposes a systematic review of the metric learning literature, highlighting the pros and cons of each approach. We pay particular attention to Mahalanobis distance metric learning, a well-studied and successful framework, but additionally present a wide range of methods that have recently emerged as powerful alternatives, including nonlinear metric learning, similarity learning and local metric learning. Recent trends and extensions, such as semi-supervised metric learning, metric learning for histogram data and the derivation of generalization guarantees, are also covered. Finally, this survey addresses metric learning for structured data, in particular edit distance learning, and attempts to give an overview of the remaining challenges in metric learning for the years to come.Comment: Technical report, 59 pages. Changes in v2: fixed typos and improved presentation. Changes in v3: fixed typos. Changes in v4: fixed typos and new method

Generative Adversarial Networks (GANs): Challenges, Solutions, and Future Directions

Generative Adversarial Networks (GANs) is a novel class of deep generative models which has recently gained significant attention. GANs learns complex and high-dimensional distributions implicitly over images, audio, and data. However, there exists major challenges in training of GANs, i.e., mode collapse, non-convergence and instability, due to inappropriate design of network architecture, use of objective function and selection of optimization algorithm. Recently, to address these challenges, several solutions for better design and optimization of GANs have been investigated based on techniques of re-engineered network architectures, new objective functions and alternative optimization algorithms. To the best of our knowledge, there is no existing survey that has particularly focused on broad and systematic developments of these solutions. In this study, we perform a comprehensive survey of the advancements in GANs design and optimization solutions proposed to handle GANs challenges. We first identify key research issues within each design and optimization technique and then propose a new taxonomy to structure solutions by key research issues. In accordance with the taxonomy, we provide a detailed discussion on different GANs variants proposed within each solution and their relationships. Finally, based on the insights gained, we present the promising research directions in this rapidly growing field.Comment: 42 pages, Figure 13, Table

Geometric and photometric affine invariant image registration

This thesis aims to present a solution to the correspondence problem for the registration of wide-baseline images taken from uncalibrated cameras. We propose an affine invariant descriptor that combines the geometry and photometry of the scene to find correspondences between both views. The geometric affine invariant component of the descriptor is based on the affine arc-length metric, whereas the photometry is analysed by invariant colour moments. A graph structure represents the spatial distribution of the primitive features; i.e. nodes correspond to detected high-curvature points, whereas arcs represent connectivities by extracted contours. After matching, we refine the search for correspondences by using a maximum likelihood robust algorithm. We have evaluated the system over synthetic and real data. The method is endemic to propagation of errors introduced by approximations in the system.BAE SystemsSelex Sensors and Airborne System

Sparse and Redundant Representations for Inverse Problems and Recognition

Sparse and redundant representation of data enables the description of signals as linear combinations of a few atoms from a dictionary. In this dissertation, we study applications of sparse and redundant representations in inverse problems and object recognition. Furthermore, we propose two novel imaging modalities based on the recently introduced theory of Compressed Sensing (CS). This dissertation consists of four major parts. In the first part of the dissertation, we study a new type of deconvolution algorithm that is based on estimating the image from a shearlet decomposition. Shearlets provide a multi-directional and multi-scale decomposition that has been mathematically shown to represent distributed discontinuities such as edges better than traditional wavelets. We develop a deconvolution algorithm that allows for the approximation inversion operator to be controlled on a multi-scale and multi-directional basis. Furthermore, we develop a method for the automatic determination of the threshold values for the noise shrinkage for each scale and direction without explicit knowledge of the noise variance using a generalized cross validation method. In the second part of the dissertation, we study a reconstruction method that recovers highly undersampled images assumed to have a sparse representation in a gradient domain by using partial measurement samples that are collected in the Fourier domain. Our method makes use of a robust generalized Poisson solver that greatly aids in achieving a significantly improved performance over similar proposed methods. We will demonstrate by experiments that this new technique is more flexible to work with either random or restricted sampling scenarios better than its competitors. In the third part of the dissertation, we introduce a novel Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging modality which can provide a high resolution map of the spatial distribution of targets and terrain using a significantly reduced number of needed transmitted and/or received electromagnetic waveforms. We demonstrate that this new imaging scheme, requires no new hardware components and allows the aperture to be compressed. Also, it presents many new applications and advantages which include strong resistance to countermesasures and interception, imaging much wider swaths and reduced on-board storage requirements. The last part of the dissertation deals with object recognition based on learning dictionaries for simultaneous sparse signal approximations and feature extraction. A dictionary is learned for each object class based on given training examples which minimize the representation error with a sparseness constraint. A novel test image is then projected onto the span of the atoms in each learned dictionary. The residual vectors along with the coefficients are then used for recognition. Applications to illumination robust face recognition and automatic target recognition are presented

Hidden Markov models and neural networks for speech recognition

The Hidden Markov Model (HMMs) is one of the most successful modeling approaches for acoustic events in speech recognition, and more recently it has proven useful for several problems in biological sequence analysis. Although the HMM is good at capturing the temporal nature of processes such as speech, it has a very limited capacity for recognizing complex patterns involving more than first order dependencies in the observed data sequences. This is due to the first order state process and the assumption of state conditional independence between observations. Artificial Neural Networks (NNs) are almost the opposite: they cannot model dynamic, temporally extended phenomena very well, but are good at static classification and regression tasks. Combining the two frameworks in a sensible way can therefore lead to a more powerful model with better classification abilities. The overall aim of this work has been to develop a probabilistic hybrid of hidden Markov models and neural networks and ..

LiDAR-Based Object Tracking and Shape Estimation

Umfeldwahrnehmung stellt eine Grundvoraussetzung für den sicheren und komfortablen Betrieb automatisierter Fahrzeuge dar. Insbesondere bewegte Verkehrsteilnehmer in der unmittelbaren Fahrzeugumgebung haben dabei große Auswirkungen auf die Wahl einer angemessenen Fahrstrategie. Dies macht ein System zur Objektwahrnehmung notwendig, welches eine robuste und präzise Zustandsschätzung der Fremdfahrzeugbewegung und -geometrie zur Verfügung stellt. Im Kontext des automatisierten Fahrens hat sich das Box-Geometriemodell über die Zeit als Quasistandard durchgesetzt. Allerdings stellt die Box aufgrund der ständig steigenden Anforderungen an Wahrnehmungssysteme inzwischen häufig eine unerwünscht grobe Approximation der tatsächlichen Geometrie anderer Verkehrsteilnehmer dar. Dies motiviert einen Übergang zu genaueren Formrepräsentationen. In der vorliegenden Arbeit wird daher ein probabilistisches Verfahren zur gleichzeitigen Schätzung von starrer Objektform und -bewegung mittels Messdaten eines LiDAR-Sensors vorgestellt. Der Vergleich dreier Freiform-Geometriemodelle mit verschiedenen Detaillierungsgraden (Polygonzug, Dreiecksnetz und Surfel Map) gegenüber dem einfachen Boxmodell zeigt, dass die Reduktion von Modellierungsfehlern in der Objektgeometrie eine robustere und präzisere Parameterschätzung von Objektzuständen ermöglicht. Darüber hinaus können automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise ein Park- oder Ausweichassistent, von einem genaueren Wissen über die Fremdobjektform profitieren. Es existieren zwei Einflussgrößen, welche die Auswahl einer angemessenen Formrepräsentation maßgeblich beeinflussen sollten: Beobachtbarkeit (Welchen Detaillierungsgrad lässt die Sensorspezifikation theoretisch zu?) und Modell-Adäquatheit (Wie gut bildet das gegebene Modell die tatsächlichen Beobachtungen ab?). Auf Basis dieser Einflussgrößen wird in der vorliegenden Arbeit eine Strategie zur Modellauswahl vorgestellt, die zur Laufzeit adaptiv das am besten geeignete Formmodell bestimmt. Während die Mehrzahl der Algorithmen zur LiDAR-basierten Objektverfolgung ausschließlich auf Punktmessungen zurückgreift, werden in der vorliegenden Arbeit zwei weitere Arten von Messungen vorgeschlagen: Information über den vermessenen Freiraum wird verwendet, um über Bereiche zu schlussfolgern, welche nicht von Objektgeometrie belegt sein können. Des Weiteren werden LiDAR-Intensitäten einbezogen, um markante Merkmale wie Nummernschilder und Retroreflektoren zu detektieren und über die Zeit zu verfolgen. Eine ausführliche Auswertung auf über 1,5 Stunden von aufgezeichneten Fremdfahrzeugtrajektorien im urbanen Bereich und auf der Autobahn zeigen, dass eine präzise Modellierung der Objektoberfläche die Bewegungsschätzung um bis zu 30%-40% verbessern kann. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die vorgestellten Methoden konsistente und hochpräzise Rekonstruktionen von Objektgeometrien generieren können, welche die häufig signifikante Überapproximation durch das einfache Boxmodell vermeiden

3D Least Squares Based Surface Reconstruction

Diese Arbeit präsentiert einen vollständig dreidimensionalen (3D) Algorithmus zur Oberflächenrekonstruktion aus Bildfolgen mit großer Basis. Die rekonstruierten Oberflächen werden durch Dreiecksgitter beschrieben, was eine einfache Integration von Bild- und Geometrie-basierten Bedingungen ermöglicht. Die vorgestellte Arbeit erweitert den erfolgreichen Ansatz von Heipke (1990) zur 2,5D Rekonstruktion zur vollständigen 3D Rekonstruktion. Verdeckung und nicht-Lambertsche Spiegelung werden durch robuste kleinste Quadrate Ausgleichung zur Schätzung des Modells berücksichtigt. Ausgangsdaten sind Bilder von verschiedenen Positionen, abgeleitete genaue Orientierungen der Bilder und eine begrenzte Zahl von 3D Punkten (Bartelsen and Mayer 2010). Die erste Neuerung des vorgestellten Ansatzes besteht in der Art und Weise, wie zusätzliche Punkte (Unbekannte) in dem Dreiecksgitter aus den vorgegebenen 3D Punkten positioniert werden. Dank den genauen Positionen dieser zusätzlichen Punkte werden präzisere und genauere rekonstruierte Oberflächen bezüglich Form und Anpassung der Bildtextur erhalten. Die zweite Neuerung besteht darin, dass individuelle Bias-Parameter für verschiedene Bilder und angepasste Gewichtungen für unterschiedliche Bildbeobachtungen verwendet werden, um damit unterschiedliche Intensitäten verschiedener Bilder als auch Ausreißer zu berücksichtigen. Die dritte Neuerung sind die verwendete Faktorisierung der Design-Matrix und die Art und Weise, wie die Gitter in Ebenen zerlegt werden, um die Laufzeit zu reduzieren. Das wesentliche Element des vorgestellten Modells besteht in der Varianz der Intensitätswerte der Bildbeobachtungen innerhalb eines Dreiecks. Mit dem vorgestellten Ansatz können genaue 3D Oberflächen für unterschiedliche Arten von Szenen rekonstruiert werden. Ergebnisse werden als VRML (Virtual Reality Modeling Language) Modelle ausgegeben, welche sowohl das Potential als auch die derzeitigen Grenzen des Ansatzes aufzeigen.This thesis presents a fully three dimensional (3D) surface reconstruction algorithm from wide-baseline image sequences. Triangle meshes represent the reconstructed surfaces allowing for an easy integration of image- and geometry-based constraints. We extend the successful approach for 2.5D reconstruction of Heipke (1990) to full 3D. To take into account occlusion and non-Lambertian reflection, we apply robust least squares adjustment to estimate the model. The input for our approach are images taken from different positions and derived accurate image orientations as well as sparse 3D points (Bartelsen and Mayer 2010). The first novelty of our approach is the way we position additional 3D points (unknowns) in the triangle meshes constructed from given 3D points. Owing to the precise positions of these additional 3D points, we obtain more precise and accurate reconstructed surfaces in terms of shape and fit of texture. The second novelty is to apply individual bias parameters for different images and adapted weights for different image observations to account for differences in the intensity values for different images as well as to consider outliers in the estimation. The third novelty is the way we factorize the design matrix and divide the meshes into layers to reduce the run time. The essential element for our model is the variance of the intensity values of image observations inside a triangle. Applying the approach, we can reconstruct accurate 3D surfaces for different types of scenes. Results are presented in the form of VRML (Virtual Reality Modeling Language) models, demonstrating the potential of the approach as well as its current shortcomings

Combining Features and Semantics for Low-level Computer Vision

Visual perception of depth and motion plays a significant role in understanding and navigating the environment. Reconstructing outdoor scenes in 3D and estimating the motion from video cameras are of utmost importance for applications like autonomous driving. The corresponding problems in computer vision have witnessed tremendous progress over the last decades, yet some aspects still remain challenging today. Striking examples are reflecting and textureless surfaces or large motions which cannot be easily recovered using traditional local methods. Further challenges include occlusions, large distortions and difficult lighting conditions. In this thesis, we propose to overcome these challenges by modeling non-local interactions leveraging semantics and contextual information. Firstly, for binocular stereo estimation, we propose to regularize over larger areas on the image using object-category specific disparity proposals which we sample using inverse graphics techniques based on a sparse disparity estimate and a semantic segmentation of the image. The disparity proposals encode the fact that objects of certain categories are not arbitrarily shaped but typically exhibit regular structures. We integrate them as non-local regularizer for the challenging object class 'car' into a superpixel-based graphical model and demonstrate its benefits especially in reflective regions. Secondly, for 3D reconstruction, we leverage the fact that the larger the reconstructed area, the more likely objects of similar type and shape will occur in the scene. This is particularly true for outdoor scenes where buildings and vehicles often suffer from missing texture or reflections, but share similarity in 3D shape. We take advantage of this shape similarity by localizing objects using detectors and jointly reconstructing them while learning a volumetric model of their shape. This allows to reduce noise while completing missing surfaces as objects of similar shape benefit from all observations for the respective category. Evaluations with respect to LIDAR ground-truth on a novel challenging suburban dataset show the advantages of modeling structural dependencies between objects. Finally, motivated by the success of deep learning techniques in matching problems, we present a method for learning context-aware features for solving optical flow using discrete optimization. Towards this goal, we present an efficient way of training a context network with a large receptive field size on top of a local network using dilated convolutions on patches. We perform feature matching by comparing each pixel in the reference image to every pixel in the target image, utilizing fast GPU matrix multiplication. The matching cost volume from the network's output forms the data term for discrete MAP inference in a pairwise Markov random field. Extensive evaluations reveal the importance of context for feature matching.Die visuelle Wahrnehmung von Tiefe und Bewegung spielt eine wichtige Rolle bei dem Verständnis und der Navigation in unserer Umwelt. Die 3D Rekonstruktion von Szenen im Freien und die Schätzung der Bewegung von Videokameras sind von größter Bedeutung für Anwendungen, wie das autonome Fahren. Die Erforschung der entsprechenden Probleme des maschinellen Sehens hat in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht, jedoch bleiben einige Aspekte heute noch ungelöst. Beispiele hierfür sind reflektierende und texturlose Oberflächen oder große Bewegungen, bei denen herkömmliche lokale Methoden häufig scheitern. Weitere Herausforderungen sind niedrige Bildraten, Verdeckungen, große Verzerrungen und schwierige Lichtverhältnisse. In dieser Arbeit schlagen wir vor nicht-lokale Interaktionen zu modellieren, die semantische und kontextbezogene Informationen nutzen, um diese Herausforderungen zu meistern. Für die binokulare Stereo Schätzung schlagen wir zuallererst vor zusammenhängende Bereiche mit objektklassen-spezifischen Disparitäts Vorschlägen zu regularisieren, die wir mit inversen Grafik Techniken auf der Grundlage einer spärlichen Disparitätsschätzung und semantischen Segmentierung des Bildes erhalten. Die Disparitäts Vorschläge kodieren die Tatsache, dass die Gegenstände bestimmter Kategorien nicht willkürlich geformt sind, sondern typischerweise regelmäßige Strukturen aufweisen. Wir integrieren sie für die komplexe Objektklasse 'Auto' in Form eines nicht-lokalen Regularisierungsterm in ein Superpixel-basiertes grafisches Modell und zeigen die Vorteile vor allem in reflektierenden Bereichen. Zweitens nutzen wir für die 3D-Rekonstruktion die Tatsache, dass mit der Größe der rekonstruierten Fläche auch die Wahrscheinlichkeit steigt, Objekte von ähnlicher Art und Form in der Szene zu enthalten. Dies gilt besonders für Szenen im Freien, in denen Gebäude und Fahrzeuge oft vorkommen, die unter fehlender Textur oder Reflexionen leiden aber ähnlichkeit in der Form aufweisen. Wir nutzen diese ähnlichkeiten zur Lokalisierung von Objekten mit Detektoren und zur gemeinsamen Rekonstruktion indem ein volumetrisches Modell ihrer Form erlernt wird. Dies ermöglicht auftretendes Rauschen zu reduzieren, während fehlende Flächen vervollständigt werden, da Objekte ähnlicher Form von allen Beobachtungen der jeweiligen Kategorie profitieren. Die Evaluierung auf einem neuen, herausfordernden vorstädtischen Datensatz in Anbetracht von LIDAR-Entfernungsdaten zeigt die Vorteile der Modellierung von strukturellen Abhängigkeiten zwischen Objekten. Zuletzt, motiviert durch den Erfolg von Deep Learning Techniken bei der Mustererkennung, präsentieren wir eine Methode zum Erlernen von kontextbezogenen Merkmalen zur Lösung des optischen Flusses mittels diskreter Optimierung. Dazu stellen wir eine effiziente Methode vor um zusätzlich zu einem Lokalen Netzwerk ein Kontext-Netzwerk zu erlernen, das mit Hilfe von erweiterter Faltung auf Patches ein großes rezeptives Feld besitzt. Für das Feature Matching vergleichen wir mit schnellen GPU-Matrixmultiplikation jedes Pixel im Referenzbild mit jedem Pixel im Zielbild. Das aus dem Netzwerk resultierende Matching Kostenvolumen bildet den Datenterm für eine diskrete MAP Inferenz in einem paarweisen Markov Random Field. Eine umfangreiche Evaluierung zeigt die Relevanz des Kontextes für das Feature Matching

Smart FRP Composite Sandwich Bridge Decks in Cold Regions

INE/AUTC 12.0