Rich probabilistic models for semantic labeling

Das Ziel dieser Monographie ist es die Methoden und Anwendungen des semantischen Labelings zu erforschen. Unsere Beiträge zu diesem sich rasch entwickelten Thema sind bestimmte Aspekte der Modellierung und der Inferenz in probabilistischen Modellen und ihre Anwendungen in den interdisziplinären Bereichen der Computer Vision sowie medizinischer Bildverarbeitung und Fernerkundung

Scale-Adaptive Video Understanding.

The recent rise of large-scale, diverse video data has urged a new era of high-level video understanding. It is increasingly critical for intelligent systems to extract semantics from videos. In this dissertation, we explore the use of supervoxel hierarchies as a type of video representation for high-level video understanding. The supervoxel hierarchies contain rich multiscale decompositions of video content, where various structures can be found at various levels. However, no single level of scale contains all the desired structures we need. It is essential to adaptively choose the scales for subsequent video analysis. Thus, we present a set of tools to manipulate scales in supervoxel hierarchies including both scale generation and scale selection methods. In our scale generation work, we evaluate a set of seven supervoxel methods in the context of what we consider to be a good supervoxel for video representation. We address a key limitation that has traditionally prevented supervoxel scale generation on long videos. We do so by proposing an approximation framework for streaming hierarchical scale generation that is able to generate multiscale decompositions for arbitrarily-long videos using constant memory. Subsequently, we present two scale selection methods that are able to adaptively choose the scales according to application needs. The first method flattens the entire supervoxel hierarchy into a single segmentation that overcomes the limitation induced by trivial selection of a single scale. We show that the selection can be driven by various post hoc feature criteria. The second scale selection method combines the supervoxel hierarchy with a conditional random field for the task of labeling actors and actions in videos. We formulate the scale selection problem and the video labeling problem in a joint framework. Experiments on a novel large-scale video dataset demonstrate the effectiveness of the explicit consideration of scale selection in video understanding. Aside from the computational methods, we present a visual psychophysical study to quantify how well the actor and action semantics in high-level video understanding are retained in supervoxel hierarchies. The ultimate findings suggest that some semantics are well-retained in the supervoxel hierarchies and can be used for further video analysis.PhDComputer Science and EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/133202/1/cliangxu_1.pd

CONTENT EXTRACTION BASED ON VIDEO CO-SEGMENTATION

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Target classification in multimodal video

The presented thesis focuses on enhancing scene segmentation and target recognition methodologies via the mobilisation of contextual information. The algorithms developed to achieve this goal utilise multi-modal sensor information collected across varying scenarios, from controlled indoor sequences to challenging rural locations. Sensors are chiefly colour band and long wave infrared (LWIR), enabling persistent surveillance capabilities across all environments. In the drive to develop effectual algorithms towards the outlined goals, key obstacles are identified and examined: the recovery of background scene structure from foreground object ’clutter’, employing contextual foreground knowledge to circumvent training a classifier when labeled data is not readily available, creating a labeled LWIR dataset to train a convolutional neural network (CNN) based object classifier and the viability of spatial context to address long range target classification when big data solutions are not enough. For an environment displaying frequent foreground clutter, such as a busy train station, we propose an algorithm exploiting foreground object presence to segment underlying scene structure that is not often visible. If such a location is outdoors and surveyed by an infra-red (IR) and visible band camera set-up, scene context and contextual knowledge transfer allows reasonable class predictions for thermal signatures within the scene to be determined. Furthermore, a labeled LWIR image corpus is created to train an infrared object classifier, using a CNN approach. The trained network demonstrates effective classification accuracy of 95% over 6 object classes. However, performance is not sustainable for IR targets acquired at long range due to low signal quality and classification accuracy drops. This is addressed by mobilising spatial context to affect network class scores, restoring robust classification capability

Early Disease Detection Through Computational Pathology

This thesis presents computational pathology algorithms for enabling early cancer detection in Barrett’s Esophagus (BE) and early subtype diagnosis in Interstitial Lung Diseases (ILD). BE is a condition affecting 10% of heartburn sufferers, for which 0.1% of patients develop esophageal adenocarcinoma each year. For most of the 130-200 diseases included in the class of ILDs, a full recovery is expected, but for a few of these diseases, the survival rate is less than three years. For both disease classes, treatment of the malignant forms would be harmful in patients with other forms, thus diagnosis is necessary prior to beginning treatment, and early treatment is most effective in eradicating disease. Early diagnosis of both of these disease classes is complicated by a high degree of sharing of subtle disease phenotypes, leading to high pathologist disagreement rates. Computational pathology methods can aid early diagnosis of these diseases through unbiased, data-driven algorithms. To detect precancerous changes in patients with BE, we develop an automated algorithm which identifies epithelial nuclei in biopsy samples on which nano-scale optical biomarkers, related to cancer risk, can be quantified. The automated nuclei detector produces a higher quality selection of epithelial nuclei than manual detection, resulting in enhanced characterization of precancerous phenotype perturbations. To stratify ILD patients, we develop a novel quantitative representation of pathohistology samples that models lung architecture based on computed image features and insights from pathologists, and establish its utility as part of a diagnostic classifier. Algorithms such as these applied in a clinical setting can save pathologists time by filtering out obvious cases and providing unbiased reasoning to assist diagnoses

Segmentation multi-vues d'objet

There has been a growing interest for multi-camera systems and many interesting works have tried to tackle computer vision problems in this particular configuration. The general objective is to propose new multi-view oriented methods instead of applying limited monocular approaches independently for each viewpoint. The work in this thesis is an attempt to have a better understanding of the multi-view object segmentation problem and to propose an alternative approach making maximum use of the available information from different viewpoints. Multiple view segmentation consists in segmenting objects simultaneously in several views. Classic monocular segmentation approaches reason on a single image and do not benefit from the presence of several viewpoints. A key issue in that respect is to ensure propagation of segmentation information between views while minimizing complexity and computational cost. In this work, we first investigate the idea that examining measurements at the projections of a sparse set of 3D points is sufficient to achieve this goal. The proposed algorithm softly assigns each of these 3D samples to the scene background if it projects on the background region in at least one view, or to the foreground if it projects on foreground region in all views. A complete probabilistic framework is proposed to estimate foreground/background color models and the method is tested on various datasets from state of the art. Two different extensions of the sparse 3D sampling segmentation framework are proposed in two scenarios. In the first, we show the flexibility of the sparse sampling framework, by using variational inference to integrate Gaussian mixture models as appearance models. In the second scenario, we propose a study of how to incorporate depth measurements in multi-view segmentation. We present a quantitative evaluation, showing that typical color-based segmentation robustness issues due to color-space ambiguity between foreground and background, can be at least partially mitigated by using depth, and that multi-view color depth segmentation also improves over monocular color depth segmentation strategies. The various tests also showed the limitations of the proposed 3D sparse sampling approach which was the motivation to propose a new method based on a richer description of image regions using superpixels. This model, that expresses more subtle relationships of the problem trough a graph construction linking superpixels and 3D samples, is one of the contributions of this work. In this new framework, time related information is also integrated. With static views, results compete with state of the art methods but they are achieved with significantly fewer viewpoints. Results on videos demonstrate the benefit of segmentation propagation through geometric and temporal cues. Finally, the last part of the thesis explores the possibilities of tracking in uncalibrated multi-view scenarios. A summary of existing methods in this field is presented, in both mono-camera and multi-camera scenarios. We investigate the potential of using self-similarity matrices to describe and compare motion in the context of multi-view tracking.L'utilisation de systèmes multi-caméras est de plus en plus populaire et il y a un intérêt croissant à résoudre les problèmes de vision par ordinateur dans ce contexte particulier. L'objectif étant de ne pas se limiter à l'application des méthodes monoculaires mais de proposer de nouvelles approches intrinsèquement orientées vers les systèmes multi-caméras. Le travail de cette thèse a pour objectif une meilleure compréhension du problème de segmentation multi-vues, pour proposer une nouvelle approche qui tire meilleur parti de la redondance d'information inhérente à l'utilisation de plusieurs points de vue. La segmentation multi-vues est l'identification de l'objet observé simultanément dans plusieurs caméras et sa séparation de l'arrière-plan. Les approches monoculaires classiques raisonnent sur chaque image de manière indépendante et ne bénéficient pas de la présence de plusieurs points de vue. Une question clé de la segmentation multi-vues réside dans la propagation d'information sur la segmentation entres les images tout en minimisant la complexité et le coût en calcul. Dans ce travail, nous investiguons en premier lieu l'utilisation d'un ensemble épars d'échantillons de points 3D. L'algorithme proposé classe chaque point comme "vide" s'il se projette sur une région du fond et "occupé" s'il se projette sur une région avant-plan dans toutes les vues. Un modèle probabiliste est proposé pour estimer les modèles de couleur de l'avant-plan et de l'arrière-plan, que nous testons sur plusieurs jeux de données de l'état de l'art. Deux extensions du modèle sont proposées. Dans la première, nous montrons la flexibilité de la méthode proposée en intégrant les mélanges de Gaussiennes comme modèles d'apparence. Cette intégration est possible grâce à l'utilisation de l'inférence variationelle. Dans la seconde, nous montrons que le modèle bayésien basé sur les échantillons 3D peut aussi être utilisé si des mesures de profondeur sont présentes. Les résultats de l'évaluation montrent que les problèmes de robustesse, typiquement causés par les ambigüités couleurs entre fond et forme, peuvent être au moins partiellement résolus en utilisant cette information de profondeur. A noter aussi qu'une approche multi-vues reste meilleure qu'une méthode monoculaire utilisant l'information de profondeur. Les différents tests montrent aussi les limitations de la méthode basée sur un échantillonnage éparse. Cela a montré la nécessité de proposer un modèle reposant sur une description plus riche de l'apparence dans les images, en particulier en utilisant les superpixels. L'une des contributions de ce travail est une meilleure modélisation des contraintes grâce à un schéma par coupure de graphes liant les régions d'images aux échantillons 3D. Dans le cas statique, les résultats obtenus rivalisent avec ceux de l'état de l'art mais sont obtenus avec beaucoup moins de points de vue. Les résultats dans le cas dynamique montrent l'intérêt de la propagation de l'information de segmentation à travers la géométrie et le mouvement. Enfin, la dernière partie de cette thèse explore la possibilité d'améliorer le suivi dans les systèmes multi-caméras non calibrés. Un état de l'art sur le suivi monoculaire et multi-caméras est présenté et nous explorons l'utilisation des matrices d'autosimilarité comme moyen de décrire le mouvement et de le comparer entre plusieurs caméras

Segmentation multi-vues d'objet

There has been a growing interest for multi-camera systems and many interesting works have tried to tackle computer vision problems in this particular configuration. The general objective is to propose new multi-view oriented methods instead of applying limited monocular approaches independently for each viewpoint. The work in this thesis is an attempt to have a better understanding of the multi-view object segmentation problem and to propose an alternative approach making maximum use of the available information from different viewpoints.Multiple view segmentation consists in segmenting objects simultaneously in several views. Classic monocular segmentation approaches reason on a single image and do not benefit from the presence of several viewpoints. A key issue in that respect is to ensure propagation of segmentation information between views while minimizing complexity and computational cost. In this work, we first investigate the idea that examining measurements at the projections of a sparse set of 3D points is sufficient to achieve this goal. The proposed algorithm softly assigns each of these 3D samples to the scene background if it projects on the background region in at least one view, or to the foreground if it projects on foreground region in all views. A complete probabilistic framework is proposed to estimate foreground/background color models and the method is tested on various datasets from state of the art.Two different extensions of the sparse 3D sampling segmentation framework are proposed in two scenarios. In the first, we show the flexibility of the sparse sampling framework, by using variational inference to integrate Gaussian mixture models as appearance models. In the second scenario, we propose a study of how to incorporate depth measurements in multi-view segmentation. We present a quantitative evaluation, showing that typical color-based segmentation robustness issues due to color-space ambiguity between foreground and background, can be at least partially mitigated by using depth, and that multi-view color depth segmentation also improves over monocular color depth segmentation strategies.The various tests also showed the limitations of the proposed 3D sparse sampling approach which was the motivation to propose a new method based on a richer description of image regions using superpixels. This model, that expresses more subtle relationships of the problem trough a graph construction linking superpixels and 3D samples, is one of the contributions of this work. In this new framework, time related information is also integrated. With static views, results compete with state of the art methods but they are achieved with significantly fewer viewpoints. Results on videos demonstrate the benefit of segmentation propagation through geometric and temporal cues.Finally, the last part of the thesis explores the possibilities of tracking in uncalibrated multi-view scenarios. A summary of existing methods in this field is presented, in both mono-camera and multi-camera scenarios. We investigate the potential of using self-similarity matrices to describe and compare motion in the context of multi-view tracking.L’utilisation de systèmes multi-caméras est de plus en plus populaire et il y a un intérêt croissant à résoudre les problèmes de vision par ordinateur dans ce contexte particulier. L’objectif étant de ne pas se limiter à l’application des méthodes monoculaires mais de proposer de nouvelles approches intrinsèquement orientées vers les systèmes multi-caméras. Le travail de cette thèse a pour objectif une meilleure compréhension du problème de segmentation multi-vues, pour proposer une nouvelle approche qui tire meilleur parti de la redondance d’information inhérente à l’utilisation de plusieurs points de vue.La segmentation multi-vues est l’identification de l’objet observé simultanément dans plusieurs caméras et sa séparation de l’arrière-plan. Les approches monoculaires classiques raisonnent sur chaque image de manière indépendante et ne bénéficient pas de la présence de plusieurs points de vue. Une question clé de la segmentation multi-vues réside dans la propagation d’information sur la segmentation entres les images tout en minimisant la complexité et le coût en calcul. Dans ce travail, nous investiguons en premier lieu l’utilisation d’un ensemble épars d’échantillons de points 3D. L’algorithme proposé classe chaque point comme "vide" s’il se projette sur une région du fond et "occupé" s’il se projette sur une région avant-plan dans toutes les vues. Un modèle probabiliste est proposé pour estimer les modèles de couleur de l’avant-plan et de l’arrière-plan, que nous testons sur plusieurs jeux de données de l’état de l’art.Deux extensions du modèle sont proposées. Dans la première, nous montrons la flexibilité de la méthode proposée en intégrant les mélanges de Gaussiennes comme modèles d’apparence. Cette intégration est possible grâce à l’utilisation de l’inférence variationelle. Dans la seconde, nous montrons que le modèle bayésien basé sur les échantillons 3D peut aussi être utilisé si des mesures de profondeur sont présentes. Les résultats de l’évaluation montrent que les problèmes de robustesse, typiquement causés par les ambigüités couleurs entre fond et forme, peuvent être au moins partiellement résolus en utilisant cette information de profondeur. A noter aussi qu’une approche multi-vues reste meilleure qu’une méthode monoculaire utilisant l’information de profondeur.Les différents tests montrent aussi les limitations de la méthode basée sur un échantillonnage éparse. Cela a montré la nécessité de proposer un modèle reposant sur une description plus riche de l’apparence dans les images, en particulier en utilisant les superpixels. L’une des contributions de ce travail est une meilleure modélisation des contraintes grâce à un schéma par coupure de graphes liant les régions d’images aux échantillons 3D. Dans le cas statique, les résultats obtenus rivalisent avec ceux de l’état de l’art mais sont obtenus avec beaucoup moins de points de vue. Les résultats dans le cas dynamique montrent l’intérêt de la propagation de l’information de segmentation à travers la géométrie et le mouvement.Enfin, la dernière partie de cette thèse explore la possibilité d’améliorer le suivi dans les systèmes multi-caméras non calibrés. Un état de l’art sur le suivi monoculaire et multi-caméras est présenté et nous explorons l’utilisation des matrices d’autosimilarité comme moyen de décrire le mouvement et de le comparer entre plusieurs caméras