Factor Graph Neural Networks

In recent years, we have witnessed a surge of Graph Neural Networks (GNNs), most of which can learn powerful representations in an end-to-end fashion with great success in many real-world applications. They have resemblance to Probabilistic Graphical Models (PGMs), but break free from some limitations of PGMs. By aiming to provide expressive methods for representation learning instead of computing marginals or most likely configurations, GNNs provide flexibility in the choice of information flowing rules while maintaining good performance. Despite their success and inspirations, they lack efficient ways to represent and learn higher-order relations among variables/nodes. More expressive higher-order GNNs which operate on k-tuples of nodes need increased computational resources in order to process higher-order tensors. We propose Factor Graph Neural Networks (FGNNs) to effectively capture higher-order relations for inference and learning. To do so, we first derive an efficient approximate Sum-Product loopy belief propagation inference algorithm for discrete higher-order PGMs. We then neuralize the novel message passing scheme into a Factor Graph Neural Network (FGNN) module by allowing richer representations of the message update rules; this facilitates both efficient inference and powerful end-to-end learning. We further show that with a suitable choice of message aggregation operators, our FGNN is also able to represent Max-Product belief propagation, providing a single family of architecture that can represent both Max and Sum-Product loopy belief propagation. Our extensive experimental evaluation on synthetic as well as real datasets demonstrates the potential of the proposed model.Comment: Accepted by JML

Content Recognition and Context Modeling for Document Analysis and Retrieval

The nature and scope of available documents are changing significantly in many areas of document analysis and retrieval as complex, heterogeneous collections become accessible to virtually everyone via the web. The increasing level of diversity presents a great challenge for document image content categorization, indexing, and retrieval. Meanwhile, the processing of documents with unconstrained layouts and complex formatting often requires effective leveraging of broad contextual knowledge. In this dissertation, we first present a novel approach for document image content categorization, using a lexicon of shape features. Each lexical word corresponds to a scale and rotation invariant local shape feature that is generic enough to be detected repeatably and is segmentation free. A concise, structurally indexed shape lexicon is learned by clustering and partitioning feature types through graph cuts. Our idea finds successful application in several challenging tasks, including content recognition of diverse web images and language identification on documents composed of mixed machine printed text and handwriting. Second, we address two fundamental problems in signature-based document image retrieval. Facing continually increasing volumes of documents, detecting and recognizing unique, evidentiary visual entities (\eg, signatures and logos) provides a practical and reliable supplement to the OCR recognition of printed text. We propose a novel multi-scale framework to detect and segment signatures jointly from document images, based on the structural saliency under a signature production model. We formulate the problem of signature retrieval in the unconstrained setting of geometry-invariant deformable shape matching and demonstrate state-of-the-art performance in signature matching and verification. Third, we present a model-based approach for extracting relevant named entities from unstructured documents. In a wide range of applications that require structured information from diverse, unstructured document images, processing OCR text does not give satisfactory results due to the absence of linguistic context. Our approach enables learning of inference rules collectively based on contextual information from both page layout and text features. Finally, we demonstrate the importance of mining general web user behavior data for improving document ranking and other web search experience. The context of web user activities reveals their preferences and intents, and we emphasize the analysis of individual user sessions for creating aggregate models. We introduce a novel algorithm for estimating web page and web site importance, and discuss its theoretical foundation based on an intentional surfer model. We demonstrate that our approach significantly improves large-scale document retrieval performance

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

Feature Extraction Methods for Character Recognition

Not Include

On-line Chinese character recognition.

by Jian-Zhuang Liu.Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 1997.Includes bibliographical references (p. 183-196).Microfiche. Ann Arbor, Mich.: UMI, 1998. 3 microfiches ; 11 x 15 cm

Exploiting Spatio-Temporal Coherence for Video Object Detection in Robotics

This paper proposes a method to enhance video object detection for indoor environments in robotics. Concretely, it exploits knowledge about the camera motion between frames to propagate previously detected objects to successive frames. The proposal is rooted in the concepts of planar homography to propose regions of interest where to find objects, and recursive Bayesian filtering to integrate observations over time. The proposal is evaluated on six virtual, indoor environments, accounting for the detection of nine object classes over a total of ∼ 7k frames. Results show that our proposal improves the recall and the F1-score by a factor of 1.41 and 1.27, respectively, as well as it achieves a significant reduction of the object categorization entropy (58.8%) when compared to a two-stage video object detection method used as baseline, at the cost of small time overheads (120 ms) and precision loss (0.92).</p