Holistic interpretation of visual data based on topology:semantic segmentation of architectural facades

The work presented in this dissertation is a step towards effectively incorporating contextual knowledge in the task of semantic segmentation. To date, the use of context has been confined to the genre of the scene with a few exceptions in the field. Research has been directed towards enhancing appearance descriptors. While this is unarguably important, recent studies show that computer vision has reached a near-human level of performance in relying on these descriptors when objects have stable distinctive surface properties and in proper imaging conditions. When these conditions are not met, humans exploit their knowledge about the intrinsic geometric layout of the scene to make local decisions. Computer vision lags behind when it comes to this asset. For this reason, we aim to bridge the gap by presenting algorithms for semantic segmentation of building facades making use of scene topological aspects. We provide a classification scheme to carry out segmentation and recognition simultaneously.The algorithm is able to solve a single optimization function and yield a semantic interpretation of facades, relying on the modeling power of probabilistic graphs and efficient discrete combinatorial optimization tools. We tackle the same problem of semantic facade segmentation with the neural network approach.We attain accuracy figures that are on-par with the state-of-the-art in a fully automated pipeline.Starting from pixelwise classifications obtained via Convolutional Neural Networks (CNN). These are then structurally validated through a cascade of Restricted Boltzmann Machines (RBM) and Multi-Layer Perceptron (MLP) that regenerates the most likely layout. In the domain of architectural modeling, there is geometric multi-model fitting. We introduce a novel guided sampling algorithm based on Minimum Spanning Trees (MST), which surpasses other propagation techniques in terms of robustness to noise. We make a number of additional contributions such as measure of model deviation which captures variations among fitted models

High-Level Facade Image Interpretation using Marked Point Processes

In this thesis, we address facade image interpretation as one essential ingredient for the generation of high-detailed, semantic meaningful, three-dimensional city-models. Given a single rectified facade image, we detect relevant facade objects such as windows, entrances, and balconies, which yield a description of the image in terms of accurate position and size of these objects. Urban digital three-dimensional reconstruction and documentation is an active area of research with several potential applications, e.g., in the area of digital mapping for navigation, urban planning, emergency management, disaster control or the entertainment industry. A detailed building model which is not just a geometric object enriched with texture, allows for semantic requests as the number of floors or the location of balconies and entrances. Facade image interpretation is one essential step in order to yield such models. In this thesis, we propose the interpretation of facade images by combining evidence for the occurrence of individual object classes which we derive from data, and prior knowledge which guides the image interpretation in its entirety. We present a three-step procedure which generates features that are suited to describe relevant objects, learns a representation that is suited for object detection, and that enables the image interpretation using the results of object detection while incorporating prior knowledge about typical configurations of facade objects, which we learn from training data. According to these three sub-tasks, our major achievements are: We propose a novel method for facade image interpretation based on a marked point process. Therefor, we develop a model for the description of typical configurations of facade objects and propose an image interpretation system which combines evidence derived from data and prior knowledge about typical configurations of facade objects. In order to generate evidence from data, we propose a feature type which we call shapelets. They are scale invariant and provide large distinctiveness for facade objects. Segments of lines, arcs, and ellipses serve as basic features for the generation of shapelets. Therefor, we propose a novel line simplification approach which approximates given pixel-chains by a sequence of lines, circular, and elliptical arcs. Among others, it is based on an adaption to Douglas-Peucker's algorithm, which is based on circles as basic geometric elements We evaluate each step separately. We show the effects of polyline segmentation and simplification on several images with comparable good or even better results, referring to a state-of-the-art algorithm, which proves their large distinctiveness for facade objects. Using shapelets we provide a reasonable classification performance on a challenging dataset, including intra-class variations, clutter, and scale changes. Finally, we show promising results for the facade interpretation system on several datasets and provide a qualitative evaluation which demonstrates the capability of complete and accurate detection of facade objectsHigh-Level Interpretation von Fassaden-Bildern unter Benutzung von Markierten PunktprozessenDas Thema dieser Arbeit ist die Interpretation von Fassadenbildern als wesentlicher Beitrag zur Erstellung hoch detaillierter, semantisch reichhaltiger dreidimensionaler Stadtmodelle. In rektifizierten Einzelaufnahmen von Fassaden detektieren wir relevante Objekte wie Fenster, Türen und Balkone, um daraus eine Bildinterpretation in Form von präzisen Positionen und Größen dieser Objekte abzuleiten. Die digitale dreidimensionale Rekonstruktion urbaner Regionen ist ein aktives Forschungsfeld mit zahlreichen Anwendungen, beispielsweise der Herstellung digitaler Kartenwerke für Navigation, Stadtplanung, Notfallmanagement, Katastrophenschutz oder die Unterhaltungsindustrie. Detaillierte Gebäudemodelle, die nicht nur als geometrische Objekte repräsentiert und durch eine geeignete Textur visuell ansprechend dargestellt werden, erlauben semantische Anfragen, wie beispielsweise nach der Anzahl der Geschosse oder der Position der Balkone oder Eingänge. Die semantische Interpretation von Fassadenbildern ist ein wesentlicher Schritt für die Erzeugung solcher Modelle. In der vorliegenden Arbeit lösen wir diese Aufgabe, indem wir aus Daten abgeleitete Evidenz für das Vorkommen einzelner Objekte mit Vorwissen kombinieren, das die Analyse der gesamten Bildinterpretation steuert. Wir präsentieren dafür ein dreistufiges Verfahren: Wir erzeugen Bildmerkmale, die für die Beschreibung der relevanten Objekte geeignet sind. Wir lernen, auf Basis abgeleiteter Merkmale, eine Repräsentation dieser Objekte. Schließlich realisieren wir die Bildinterpretation basierend auf der zuvor gelernten Repräsentation und dem Vorwissen über typische Konfigurationen von Fassadenobjekten, welches wir aus Trainingsdaten ableiten. Wir leisten dazu die folgenden wissenschaftlichen Beiträge: Wir schlagen eine neuartige Me-thode zur Interpretation von Fassadenbildern vor, die einen sogenannten markierten Punktprozess verwendet. Dafür entwickeln wir ein Modell zur Beschreibung typischer Konfigurationen von Fassadenobjekten und entwickeln ein Bildinterpretationssystem, welches aus Daten abgeleitete Evidenz und a priori Wissen über typische Fassadenkonfigurationen kombiniert. Für die Erzeugung der Evidenz stellen wir Merkmale vor, die wir Shapelets nennen und die skaleninvariant und durch eine ausgesprochene Distinktivität im Bezug auf Fassadenobjekte gekennzeichnet sind. Als Basismerkmale für die Erzeugung der Shapelets dienen Linien-, Kreis- und Ellipsensegmente. Dafür stellen wir eine neuartige Methode zur Vereinfachung von Liniensegmenten vor, die eine Pixelkette durch eine Sequenz von geraden Linienstücken und elliptischen Bogensegmenten approximiert. Diese basiert unter anderem auf einer Adaption des Douglas-Peucker Algorithmus, die anstelle gerader Linienstücke, Bogensegmente als geometrische Basiselemente verwendet. Wir evaluieren jeden dieser drei Teilschritte separat. Wir zeigen Ergebnisse der Liniensegmen-tierung anhand verschiedener Bilder und weisen dabei vergleichbare und teilweise verbesserte Ergebnisse im Vergleich zu bestehende Verfahren nach. Für die vorgeschlagenen Shapelets weisen wir in der Evaluation ihre diskriminativen Eigenschaften im Bezug auf Fassadenobjekte nach. Wir erzeugen auf einem anspruchsvollen Datensatz von skalenvariablen Fassadenobjekten, mit starker Variabilität der Erscheinung innerhalb der Klassen, vielversprechende Klassifikationsergebnisse, die die Verwendbarkeit der gelernten Shapelets für die weitere Interpretation belegen. Schließlich zeigen wir Ergebnisse der Interpretation der Fassadenstruktur anhand verschiedener Datensätze. Die qualitative Evaluation demonstriert die Fähigkeit des vorgeschlagenen Lösungsansatzes zur vollständigen und präzisen Detektion der genannten Fassadenobjekte

Procedural Modeling of a Building from a Single Image

International audienceCreating a virtual city is demanded for computer games, movies, and urban planning, but it takes a lot of time to create numerous 3D building models. Procedural modeling has become popular in recent years to overcome this issue, but creating a grammar to get a desired output is difficult and time consuming even for expert users. In this paper, we present an interactive tool that allows users to automatically generate such a grammar from a single image of a building. The user selects a photograph and highlights the silhouette of the target building as input to our method. Our pipeline automatically generates the building components, from large-scale building mass to fine-scale windows and doors geometry. Each stage of our pipeline combines convolutional neural networks (CNNs) and optimization to select and parameterize procedural grammars that reproduce the building elements of the picture. In the first stage, our method jointly estimates camera parameters and building mass shape. Once known, the building mass enables the rectification of the façades, which are given as input to the second stage that recovers the façade layout. This layout allows us to extract individual windows and doors that are subsequently fed to the last stage of the pipeline that selects procedural grammars for windows and doors. Finally, the grammars are combined to generate a complete procedural building as output. We devise a common methodology to make each stage of this pipeline tractable. This methodology consists in simplifying the input image to match the visual appearance of synthetic training data, and in using optimization to refine the parameters estimated by CNNs. We used our method to generate a variety of procedural models of buildings from existing photographs

Statistical relational learning of semantic models and grammar rules for 3D building reconstruction from 3D point clouds

Formal grammars are well suited for the estimation of models with an a-priori unknown number of parameters such as buildings and have proven their worth for 3D modeling and reconstruction of cities. However, the generation and design of corresponding grammar rules is a laborious task and relies on expert knowledge. This thesis presents novel approaches for the reduction of this effort using advanced machine learning methods resulting in automatically learned sophisticated grammar rules. Indeed, the learning of a wide range of sophisticated rules, that reflect the variety and complexity, is a challenging task. This is especially the case if a simultaneous machine learning of building structures and the underlying aggregation hierarchies as well as the building parameters and the constraints among them for a semantic interpretation is expected. Thus, in this thesis, an incremental approach is followed. It separates the structure learning from the parameter distribution learning of building parts. Moreover, the so far procedural approaches with formal grammars are mostly rather convenient for the generation of virtual city models than for the reconstruction of existing buildings. To this end, Inductive Logic Programming (ILP) techniques are transferred and applied for the first time in the field of 3D building modeling. This enables the automatic learning of declarative logic programs, which are equivalent to attribute grammars and separate the representation of buildings and their parts from the reconstruction task. A stepwise bottom-up learning, starting from the smallest atomic features of a building part together with the semantic, topological and geometric constraints, is a key to a successful learning of a whole building part. Only few examples are sufficient to learn from precise as well as noisy observations. The learning from uncertain data is realized using probability density functions, decision trees and uncertain projective geometry. This enables the handling and modeling of uncertain topology and geometric reasoning taking noise into consideration. The uncertainty of models itself is also considered. Therefore, a novel method is developed for the learning of Weighted Attribute Context-Free Grammar (WACFG). On the one hand, the structure learning of façades – context-free part of the Grammar – is performed based on annotated derivation trees using specific Support Vector Machines (SVMs). The latter are able to derive probabilistic models from structured data and to predict a most likely tree regarding to given observations. On the other hand, to the best of my knowledge, Statistical Relational Learning (SRL), especially Markov Logic Networks (MLNs), are applied for the first time in order to learn building part (shape and location) parameters as well as the constraints among these parts. The use of SRL enables to take profit from the elegant logical relational description and to benefit from the efficiency of statistical inference methods. In order to model latent prior knowledge and exploit the architectural regularities of buildings, a novel method is developed for the automatic identification of translational as well as axial symmetries. For symmetry identification a supervised machine learning approach is followed based on an SVM classifier. Building upon the classification results, algorithms are designed for the representation of symmetries using context-free grammars from authoritative building footprints. In all steps the machine learning is performed based on real- world data such as 3D point clouds and building footprints. The handling with uncertainty and occlusions is assured. The presented methods have been successfully applied on real data. The belonging classification and reconstruction results are shown.Statistisches relationales Lernen von semantischen Modellen und Grammatikregeln für 3D Gebäuderekonstruktion aus 3D Punktwolken Formale Grammatiken eignen sich sehr gut zur Schätzung von Modellen mit a-priori unbekannter Anzahl von Parametern und haben sich daher als guter Ansatz zur Rekonstruktion von Städten mittels 3D Stadtmodellen bewährt. Der Entwurf und die Erstellung der dazugehörigen Grammatikregeln benötigt jedoch Expertenwissen und ist mit großem Aufwand verbunden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Verfahren entwickelt, die diesen Aufwand unter Zuhilfenahme von leistungsfähigen Techniken des maschinellen Lernens reduzieren und automatisches Lernen von Regeln ermöglichen. Das Lernen umfangreicher Grammatiken, die die Vielfalt und Komplexität der Gebäude und ihrer Bestandteile widerspiegeln, stellt eine herausfordernde Aufgabe dar. Dies ist insbesondere der Fall, wenn zur semantischen Interpretation sowohl das Lernen der Strukturen und Aggregationshierarchien als auch von Parametern der zu lernenden Objekte gleichzeitig statt finden soll. Aus diesem Grund wird hier ein inkrementeller Ansatz verfolgt, der das Lernen der Strukturen vom Lernen der Parameterverteilungen und Constraints zielführend voneinander trennt. Existierende prozedurale Ansätze mit formalen Grammatiken sind eher zur Generierung von synthetischen Stadtmodellen geeignet, aber nur bedingt zur Rekonstruktion existierender Gebäude nutzbar. Hierfür werden in dieser Schrift Techniken der Induktiven Logischen Programmierung (ILP) zum ersten Mal auf den Bereich der 3D Gebäudemodellierung übertragen. Dies führt zum Lernen deklarativer logischer Programme, die hinsichtlich ihrer Ausdrucksstärke mit attributierten Grammatiken gleichzusetzen sind und die Repräsentation der Gebäude von der Rekonstruktionsaufgabe trennen. Das Lernen von zuerst disaggregierten atomaren Bestandteilen sowie der semantischen, topologischen und geometrischen Beziehungen erwies sich als Schlüssel zum Lernen der Gesamtheit eines Gebäudeteils. Das Lernen erfolgte auf Basis einiger weniger sowohl präziser als auch verrauschter Beispielmodelle. Um das Letztere zu ermöglichen, wurde auf Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen, Entscheidungsbäumen und unsichere projektive Geometrie zurückgegriffen. Dies erlaubte den Umgang mit und die Modellierung von unsicheren topologischen Relationen sowie unscharfer Geometrie. Um die Unsicherheit der Modelle selbst abbilden zu können, wurde ein Verfahren zum Lernen Gewichteter Attributierter Kontextfreier Grammatiken (Weighted Attributed Context-Free Grammars, WACFG) entwickelt. Zum einen erfolgte das Lernen der Struktur von Fassaden –kontextfreier Anteil der Grammatik – aus annotierten Herleitungsbäumen mittels spezifischer Support Vektor Maschinen (SVMs), die in der Lage sind, probabilistische Modelle aus strukturierten Daten abzuleiten und zu prädizieren. Zum anderen wurden nach meinem besten Wissen Methoden des statistischen relationalen Lernens (SRL), insbesondere Markov Logic Networks (MLNs), erstmalig zum Lernen von Parametern von Gebäuden sowie von bestehenden Relationen und Constraints zwischen ihren Bestandteilen eingesetzt. Das Nutzen von SRL erlaubt es, die eleganten relationalen Beschreibungen der Logik mit effizienten Methoden der statistischen Inferenz zu verbinden. Um latentes Vorwissen zu modellieren und architekturelle Regelmäßigkeiten auszunutzen, ist ein Verfahren zur automatischen Erkennung von Translations- und Spiegelsymmetrien und deren Repräsentation mittels kontextfreier Grammatiken entwickelt worden. Hierfür wurde mittels überwachtem Lernen ein SVM-Klassifikator entwickelt und implementiert. Basierend darauf wurden Algorithmen zur Induktion von Grammatikregeln aus Grundrissdaten entworfen

Methods for Structural Pattern Recognition: Complexity and Applications

Katedra kybernetik

Automatic semantic and geometric enrichment of CityGML building models using HoG-based template matching

Semantically rich 3D building models give the potential for a wealth of rich geo-spatially-enabled applications such as cultural heritage augmented reality, urban planning, radio network planning and personal navigation. However, the majority of existing building models lack much if any semantic detail. This work demonstrates a novel method for automatically locating subclasses of windows and doors, using computer vision techniques including the histogram of oriented gradient (HoG) template matching, and automatically creating enriched CityGML content for the matched windows and doors. Good results were achieved for class identification with potential for further refinement of subclasses of windows and doors and other architectural features. It is part of a wider project to bring even richer semantic content to 3D geo-spatial building models

Activity Analysis; Finding Explanations for Sets of Events

Automatic activity recognition is the computational process of analysing visual input and reasoning about detections to understand the performed events. In all but the simplest scenarios, an activity involves multiple interleaved events, some related and others independent. The activity in a car park or at a playground would typically include many events. This research assumes the possible events and any constraints between the events can be defined for the given scene. Analysing the activity should thus recognise a complete and consistent set of events; this is referred to as a global explanation of the activity. By seeking a global explanation that satisfies the activity’s constraints, infeasible interpretations can be avoided, and ambiguous observations may be resolved. An activity’s events and any natural constraints are defined using a grammar formalism. Attribute Multiset Grammars (AMG) are chosen because they allow defining hierarchies, as well as attribute rules and constraints. When used for recognition, detectors are employed to gather a set of detections. Parsing the set of detections by the AMG provides a global explanation. To find the best parse tree given a set of detections, a Bayesian network models the probability distribution over the space of possible parse trees. Heuristic and exhaustive search techniques are proposed to find the maximum a posteriori global explanation. The framework is tested for two activities: the activity in a bicycle rack, and around a building entrance. The first case study involves people locking bicycles onto a bicycle rack and picking them up later. The best global explanation for all detections gathered during the day resolves local ambiguities from occlusion or clutter. Intensive testing on 5 full days proved global analysis achieves higher recognition rates. The second case study tracks people and any objects they are carrying as they enter and exit a building entrance. A complete sequence of the person entering and exiting multiple times is recovered by the global explanation