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Automatic Segmentation of Trees in Dynamic Outdoor Environments
Segmentation in dynamic outdoor environments can be difficult when the illumination levels and other aspects of the scene cannot be controlled. Specifically in orchard and vineyard automation contexts, a background material is often used to shield a camera\u27s field of view from other rows of crops. In this paper, we describe a method that uses superpixels to determine low texture regions of the image that correspond to the background material, and then show how this information can be integrated with the color distribution of the image to compute optimal segmentation parameters to segment objects of interest. Quantitative and qualitative experiments demonstrate the suitability of this approach for dynamic outdoor environments, specifically for tree reconstruction and apple flower detection application
Human shape modelling for carried object detection and segmentation
La détection des objets transportés est un des prérequis pour développer des systèmes qui cherchent à comprendre les activités impliquant des personnes et des objets. Cette thèse présente de nouvelles méthodes pour détecter et segmenter les objets transportés dans des vidéos de surveillance. Les contributions sont divisées en trois principaux chapitres. Dans le premier chapitre, nous introduisons notre détecteur d’objets transportés, qui nous permet de détecter un type générique d’objets. Nous formulons la détection d’objets transportés comme un problème de classification de contours. Nous classifions le contour des objets mobiles en deux classes : objets transportés et personnes. Un masque de probabilités est généré pour le contour d’une personne basé sur un ensemble d’exemplaires (ECE) de personnes qui marchent ou se tiennent debout de différents points de vue. Les contours qui ne correspondent pas au masque de probabilités généré sont considérés comme des candidats pour être des objets transportés. Ensuite, une région est assignée à chaque objet transporté en utilisant la Coupe Biaisée Normalisée (BNC) avec une probabilité obtenue par une fonction pondérée de son chevauchement avec l’hypothèse du masque de contours de la personne et du premier plan segmenté. Finalement, les objets transportés sont détectés en appliquant une Suppression des Non-Maxima (NMS) qui élimine les scores trop bas pour les objets candidats. Le deuxième chapitre de contribution présente une approche pour détecter des objets transportés avec une méthode innovatrice pour extraire des caractéristiques des régions d’avant-plan basée sur leurs contours locaux et l’information des super-pixels. Initiallement, un objet bougeant dans une séquence vidéo est segmente en super-pixels sous plusieurs échelles. Ensuite, les régions ressemblant à des personnes dans l’avant-plan sont identifiées en utilisant un ensemble de caractéristiques extraites de super-pixels dans un codebook de formes locales. Ici, les régions ressemblant à des humains sont équivalentes au masque de probabilités de la première méthode (ECE). Notre deuxième détecteur d’objets transportés bénéficie du nouveau descripteur de caractéristiques pour produire une carte de probabilité plus précise. Les compléments des super-pixels correspondants aux régions ressemblant à des personnes dans l’avant-plan sont considérés comme une carte de probabilité des objets transportés. Finalement, chaque groupe de super-pixels voisins avec une haute probabilité d’objets transportés et qui ont un fort support de bordure sont fusionnés pour former un objet transporté. Finalement, dans le troisième chapitre, nous présentons une méthode pour détecter et segmenter les objets transportés. La méthode proposée adopte le nouveau descripteur basé sur les super-pixels pour iii identifier les régions ressemblant à des objets transportés en utilisant la modélisation de la forme humaine. En utilisant l’information spatio-temporelle des régions candidates, la consistance des objets transportés récurrents, vus dans le temps, est obtenue et sert à détecter les objets transportés. Enfin, les régions d’objets transportés sont raffinées en intégrant de l’information sur leur apparence et leur position à travers le temps avec une extension spatio-temporelle de GrabCut. Cette étape finale sert à segmenter avec précision les objets transportés dans les séquences vidéo. Nos méthodes sont complètement automatiques, et font des suppositions minimales sur les personnes, les objets transportés, et les les séquences vidéo. Nous évaluons les méthodes décrites en utilisant deux ensembles de données, PETS 2006 et i-Lids AVSS. Nous évaluons notre détecteur et nos méthodes de segmentation en les comparant avec l’état de l’art. L’évaluation expérimentale sur les deux ensembles de données démontre que notre détecteur d’objets transportés et nos méthodes de segmentation surpassent de façon significative les algorithmes compétiteurs.Detecting carried objects is one of the requirements for developing systems that reason about activities involving people and objects. This thesis presents novel methods to detect and segment carried objects in surveillance videos. The contributions are divided into three main chapters. In the first, we introduce our carried object detector which allows to detect a generic class of objects. We formulate carried object detection in terms of a contour classification problem. We classify moving object contours into two classes: carried object and person. A probability mask for person’s contours is generated based on an ensemble of contour exemplars (ECE) of walking/standing humans in different viewing directions. Contours that are not falling in the generated hypothesis mask are considered as candidates for carried object contours. Then, a region is assigned to each carried object candidate contour using Biased Normalized Cut (BNC) with a probability obtained by a weighted function of its overlap with the person’s contour hypothesis mask and segmented foreground. Finally, carried objects are detected by applying a Non-Maximum Suppression (NMS) method which eliminates the low score carried object candidates. The second contribution presents an approach to detect carried objects with an innovative method for extracting features from foreground regions based on their local contours and superpixel information. Initially, a moving object in a video frame is segmented into multi-scale superpixels. Then human-like regions in the foreground area are identified by matching a set of extracted features from superpixels against a codebook of local shapes. Here the definition of human like regions is equivalent to a person’s probability map in our first proposed method (ECE). Our second carried object detector benefits from the novel feature descriptor to produce a more accurate probability map. Complement of the matching probabilities of superpixels to human-like regions in the foreground are considered as a carried object probability map. At the end, each group of neighboring superpixels with a high carried object probability which has strong edge support is merged to form a carried object. Finally, in the third contribution we present a method to detect and segment carried objects. The proposed method adopts the new superpixel-based descriptor to identify carried object-like candidate regions using human shape modeling. Using spatio-temporal information of the candidate regions, consistency of recurring carried object candidates viewed over time is obtained and serves to detect carried objects. Last, the detected carried object regions are refined by integrating information of their appearances and their locations over time with a spatio-temporal extension of GrabCut. This final stage is used to accurately segment carried objects in frames. Our methods are fully automatic, and make minimal assumptions about a person, carried objects and videos. We evaluate the aforementioned methods using two available datasets PETS 2006 and i-Lids AVSS. We compare our detector and segmentation methods against a state-of-the-art detector. Experimental evaluation on the two datasets demonstrates that both our carried object detection and segmentation methods significantly outperform competing algorithms
Discrete Optimization Methods for Segmentation and Matching
This dissertation studies discrete optimization methods for several computer vision problems. In the first part, a new objective function for superpixel segmentation is proposed. This objective function consists of two components: entropy rate of a random walk on a graph and a balancing term. The entropy rate favors formation of compact and homogeneous clusters, while the balancing function encourages clusters with similar sizes. I present a new graph construction for images and show that this construction induces a matroid. The segmentation is then given by the graph topology which maximizes the objective function under the matroid constraint. By exploiting submodular and monotonic properties of the objective function, I develop an efficient algorithm with a worst-case performance bound of for the superpixel segmentation problem. Extensive experiments on the Berkeley segmentation benchmark show the proposed algorithm outperforms the state of the art in all the standard evaluation metrics.
Next, I propose a video segmentation algorithm by maximizing a submodular objective function subject to a matroid constraint. This function is similar to the standard energy function in computer vision with unary terms, pairwise terms from the Potts model, and a novel higher-order term based on appearance histograms. I show that the standard Potts model prior, which becomes non-submodular for multi-label problems, still induces a submodular function in a maximization framework. A new higher-order prior further enforces consistency in the appearance histograms both spatially and temporally across the video. The matroid constraint leads to a simple algorithm with a performance bound of . A branch and bound procedure is also presented to improve the solution computed by the algorithm.
The last part of the dissertation studies the object localization problem in images given a single hand-drawn example or a gallery of shapes as the object model. Although many shape matching algorithms have been proposed for the problem, chamfer matching remains to be the preferred method when speed and robustness are considered. In this dissertation, I significantly improve the accuracy of chamfer matching while reducing the computational time from linear to sublinear (shown empirically). It is achieved by incorporating edge orientation information in the matching algorithm so the resulting cost function is piecewise smooth and the cost variation is tightly bounded. Moreover, I present a sublinear time algorithm for exact computation of the directional chamfer matching score using techniques from 3D distance transforms and directional integral images. In addition, the smooth cost function allows one to bound the cost distribution of large neighborhoods and skip the bad hypotheses. Experiments show that the proposed approach improves the speed of the original chamfer matching up to an order of 45 times, and it is much faster than many state of art techniques while the accuracy is comparable. I further demonstrate the application of the proposed algorithm in providing seamless operation for a robotic bin picking system
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