Investigating Epipolar Plane Image Representations for Objective Quality Evaluation of Light Field Images

International audienceWith the ongoing advances in Light Field(LF) technology, research in LF acquisition, compression, processing has gained momentum. This increased the need for objective quality evaluation of LF content. Many processing algorithms are still optimized against peak signal to noise ratio(PSNR). Lately, several attempts have been made to improve objective quality evaluation such as extending 2D metrics to 4D LF domain. However, there is still a great room for improvement. In this paper, we experiment with existing 2D image quality metrics on the Epipolar Plane Image representations of LF content to reveal characteristics of LF related distortions. We discuss the challenges and suggest possible directions towards a LF image quality evaluation on EPI representations

Reconstruction from Spatio-Spectrally Coded Multispectral Light Fields

In dieser Arbeit werden spektral kodierte multispektrale Lichtfelder untersucht, wie sie von einer Lichtfeldkamera mit einem spektral kodierten Mikrolinsenarray aufgenommen werden. Für die Rekonstruktion der kodierten Lichtfelder werden zwei Methoden entwickelt, eine basierend auf den Prinzipien des Compressed Sensing sowie eine Deep Learning Methode. Anhand neuartiger synthetischer und realer Datensätze werden die vorgeschlagenen Rekonstruktionsansätze im Detail evaluiert

Reconstruction from Spatio-Spectrally Coded Multispectral Light Fields

In this work, spatio-spectrally coded multispectral light fields, as taken by a light field camera with a spectrally coded microlens array, are investigated. For the reconstruction of the coded light fields, two methods, one based on the principles of compressed sensing and one deep learning approach, are developed. Using novel synthetic as well as a real-world datasets, the proposed reconstruction approaches are evaluated in detail

Efficient and Accurate Disparity Estimation from MLA-Based Plenoptic Cameras

This manuscript focuses on the processing images from microlens-array based plenoptic cameras. These cameras enable the capturing of the light field in a single shot, recording a greater amount of information with respect to conventional cameras, allowing to develop a whole new set of applications. However, the enhanced information introduces additional challenges and results in higher computational effort. For one, the image is composed of thousand of micro-lens images, making it an unusual case for standard image processing algorithms. Secondly, the disparity information has to be estimated from those micro-images to create a conventional image and a three-dimensional representation. Therefore, the work in thesis is devoted to analyse and propose methodologies to deal with plenoptic images. A full framework for plenoptic cameras has been built, including the contributions described in this thesis. A blur-aware calibration method to model a plenoptic camera, an optimization method to accurately select the best microlenses combination, an overview of the different types of plenoptic cameras and their representation. Datasets consisting of both real and synthetic images have been used to create a benchmark for different disparity estimation algorithm and to inspect the behaviour of disparity under different compression rates. A robust depth estimation approach has been developed for light field microscopy and image of biological samples

Reconstruction from Spatio-Spectrally Coded Multispectral Light Fields

In dieser Arbeit werden spektral codierte multispektrale Lichtfelder, wie sie von einer Lichtfeldkamera mit einem spektral codierten Mikrolinsenarray aufgenommen werden, untersucht. Für die Rekonstruktion der codierten Lichtfelder werden zwei Methoden entwickelt und im Detail ausgewertet. Zunächst wird eine vollständige Rekonstruktion des spektralen Lichtfelds entwickelt, die auf den Prinzipien des Compressed Sensing basiert. Um die spektralen Lichtfelder spärlich darzustellen, werden 5D-DCT-Basen sowie ein Ansatz zum Lernen eines Dictionary untersucht. Der konventionelle vektorisierte Dictionary-Lernansatz wird auf eine tensorielle Notation verallgemeinert, um das Lichtfeld-Dictionary tensoriell zu faktorisieren. Aufgrund der reduzierten Anzahl von zu lernenden Parametern ermöglicht dieser Ansatz größere effektive Atomgrößen. Zweitens wird eine auf Deep Learning basierende Rekonstruktion der spektralen Zentralansicht und der zugehörigen Disparitätskarte aus dem codierten Lichtfeld entwickelt. Dabei wird die gewünschte Information direkt aus den codierten Messungen geschätzt. Es werden verschiedene Strategien des entsprechenden Multi-Task-Trainings verglichen. Um die Qualität der Rekonstruktion weiter zu verbessern, wird eine neuartige Methode zur Einbeziehung von Hilfslossfunktionen auf der Grundlage ihrer jeweiligen normalisierten Gradientenähnlichkeit entwickelt und gezeigt, dass sie bisherige adaptive Methoden übertrifft. Um die verschiedenen Rekonstruktionsansätze zu trainieren und zu bewerten, werden zwei Datensätze erstellt. Zunächst wird ein großer synthetischer spektraler Lichtfelddatensatz mit verfügbarer Disparität Ground Truth unter Verwendung eines Raytracers erstellt. Dieser Datensatz, der etwa 100k spektrale Lichtfelder mit dazugehöriger Disparität enthält, wird in einen Trainings-, Validierungs- und Testdatensatz aufgeteilt. Um die Qualität weiter zu bewerten, werden sieben handgefertigte Szenen, so genannte Datensatz-Challenges, erstellt. Schließlich wird ein realer spektraler Lichtfelddatensatz mit einer speziell angefertigten spektralen Lichtfeldreferenzkamera aufgenommen. Die radiometrische und geometrische Kalibrierung der Kamera wird im Detail besprochen. Anhand der neuen Datensätze werden die vorgeschlagenen Rekonstruktionsansätze im Detail bewertet. Es werden verschiedene Codierungsmasken untersucht -- zufällige, reguläre, sowie Ende-zu-Ende optimierte Codierungsmasken, die mit einer neuartigen differenzierbaren fraktalen Generierung erzeugt werden. Darüber hinaus werden weitere Untersuchungen durchgeführt, zum Beispiel bezüglich der Abhängigkeit von Rauschen, der Winkelauflösung oder Tiefe. Insgesamt sind die Ergebnisse überzeugend und zeigen eine hohe Rekonstruktionsqualität. Die Deep-Learning-basierte Rekonstruktion, insbesondere wenn sie mit adaptiven Multitasking- und Hilfslossstrategien trainiert wird, übertrifft die Compressed-Sensing-basierte Rekonstruktion mit anschließender Disparitätsschätzung nach dem Stand der Technik

Reconstruction from Spatio-Spectrally Coded Multispectral Light Fields

In this work, spatio-spectrally coded multispectral light fields, as taken by a light field camera with a spectrally coded microlens array, are investigated. For the reconstruction of the coded light fields, two methods, one based on the principles of compressed sensing and one deep learning approach, are developed. Using novel synthetic as well as a real-world datasets, the proposed reconstruction approaches are evaluated in detail

Purposive three-dimensional reconstruction by means of a controlled environment

Retrieving 3D data using imaging devices is a relevant task for many applications in medical imaging, surveillance, industrial quality control, and others. As soon as we gain procedural control over parameters of the imaging device, we encounter the necessity of well-defined reconstruction goals and we need methods to achieve them. Hence, we enter next-best-view planning. In this work, we present a formalization of the abstract view planning problem and deal with different planning aspects, whereat we focus on using an intensity camera without active illumination. As one aspect of view planning, employing a controlled environment also provides the planning and reconstruction methods with additional information. We incorporate the additional knowledge of camera parameters into the Kanade-Lucas-Tomasi method used for feature tracking. The resulting Guided KLT tracking method benefits from a constrained optimization space and yields improved accuracy while regarding the uncertainty of the additional input. Serving other planning tasks dealing with known objects, we propose a method for coarse registration of 3D surface triangulations. By the means of exact surface moments of surface triangulations we establish invariant surface descriptors based on moment invariants. These descriptors allow to tackle tasks of surface registration, classification, retrieval, and clustering, which are also relevant to view planning. In the main part of this work, we present a modular, online approach to view planning for 3D reconstruction. Based on the outcome of the Guided KLT tracking, we design a planning module for accuracy optimization with respect to an extended E-criterion. Further planning modules endow non-discrete surface estimation and visibility analysis. The modular nature of the proposed planning system allows to address a wide range of specific instances of view planning. The theoretical findings in this work are underlined by experiments evaluating the relevant terms

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