Effective and efficient visual description based on local binary patterns and gradient distribution for object recognition

Cette thèse est consacrée au problème de la reconnaissance visuelle des objets basé sur l'ordinateur, qui est devenue un sujet de recherche très populaire et important ces dernières années grâce à ses nombreuses applications comme l'indexation et la recherche d'image et de vidéo , le contrôle d'accès de sécurité, la surveillance vidéo, etc. Malgré beaucoup d'efforts et de progrès qui ont été fait pendant les dernières années, il reste un problème ouvert et est encore considéré comme l'un des problèmes les plus difficiles dans la communauté de vision par ordinateur, principalement en raison des similarités entre les classes et des variations intra-classe comme occlusion, clutter de fond, les changements de point de vue, pose, l'échelle et l'éclairage. Les approches populaires d'aujourd'hui pour la reconnaissance des objets sont basé sur les descripteurs et les classiffieurs, ce qui généralement extrait des descripteurs visuelles dans les images et les vidéos d'abord, et puis effectue la classification en utilisant des algorithmes d'apprentissage automatique sur la base des caractéristiques extraites. Ainsi, il est important de concevoir une bonne description visuelle, qui devrait être à la fois discriminatoire et efficace à calcul, tout en possédant certaines propriétés de robustesse contre les variations mentionnées précédemment. Dans ce contexte, l objectif de cette thèse est de proposer des contributions novatrices pour la tâche de la reconnaissance visuelle des objets, en particulier de présenter plusieurs nouveaux descripteurs visuelles qui représentent effectivement et efficacement le contenu visuel d image et de vidéo pour la reconnaissance des objets. Les descripteurs proposés ont l'intention de capturer l'information visuelle sous aspects différents. Tout d'abord, nous proposons six caractéristiques LBP couleurs de multi-échelle pour traiter les défauts principaux du LBP original, c'est-à-dire, le déffcit d'information de couleur et la sensibilité aux variations des conditions d'éclairage non-monotoniques. En étendant le LBP original à la forme de multi-échelle dans les différents espaces de couleur, les caractéristiques proposées non seulement ont plus de puissance discriminante par l'obtention de plus d'information locale, mais possèdent également certaines propriétés d'invariance aux différentes variations des conditions d éclairage. En plus, leurs performances sont encore améliorées en appliquant une stratégie de l'image division grossière à fine pour calculer les caractéristiques proposées dans les blocs d'image afin de coder l'information spatiale des structures de texture. Les caractéristiques proposées capturent la distribution mondiale de l information de texture dans les images. Deuxièmement, nous proposons une nouvelle méthode pour réduire la dimensionnalité du LBP appelée la combinaison orthogonale de LBP (OC-LBP). Elle est adoptée pour construire un nouveau descripteur local basé sur la distribution en suivant une manière similaire à SIFT. Notre objectif est de construire un descripteur local plus efficace en remplaçant l'information de gradient coûteux par des patterns de texture locales dans le régime du SIFT. Comme l'extension de notre première contribution, nous étendons également le descripteur OC-LBP aux différents espaces de couleur et proposons six descripteurs OC-LBP couleurs pour améliorer la puissance discriminante et la propriété d'invariance photométrique du descripteur basé sur l'intensité. Les descripteurs proposés capturent la distribution locale de l information de texture dans les images. Troisièmement, nous introduisons DAISY, un nouveau descripteur local rapide basé sur la distribution de gradient, dans le domaine de la reconnaissance visuelle des objets. [...]This thesis is dedicated to the problem of machine-based visual object recognition, which has become a very popular and important research topic in recent years because of its wide range of applications such as image/video indexing and retrieval, security access control, video monitoring, etc. Despite a lot of e orts and progress that have been made during the past years, it remains an open problem and is still considered as one of the most challenging problems in computer vision community, mainly due to inter-class similarities and intra-class variations like occlusion, background clutter, changes in viewpoint, pose, scale and illumination. The popular approaches for object recognition nowadays are feature & classifier based, which typically extract visual features from images/videos at first, and then perform the classification using certain machine learning algorithms based on the extracted features. Thus it is important to design good visual description, which should be both discriminative and computationally efficient, while possessing some properties of robustness against the previously mentioned variations. In this context, the objective of this thesis is to propose some innovative contributions for the task of visual object recognition, in particular to present several new visual features / descriptors which effectively and efficiently represent the visual content of images/videos for object recognition. The proposed features / descriptors intend to capture the visual information from different aspects. Firstly, we propose six multi-scale color local binary pattern (LBP) features to deal with the main shortcomings of the original LBP, namely deficiency of color information and sensitivity to non-monotonic lighting condition changes. By extending the original LBP to multi-scale form in different color spaces, the proposed features not only have more discriminative power by obtaining more local information, but also possess certain invariance properties to different lighting condition changes. In addition, their performances are further improved by applying a coarse-to-fine image division strategy for calculating the proposed features within image blocks in order to encode spatial information of texture structures. The proposed features capture global distribution of texture information in images. Secondly, we propose a new dimensionality reduction method for LBP called the orthogonal combination of local binary patterns (OC-LBP), and adopt it to construct a new distribution-based local descriptor by following a way similar to SIFT.Our goal is to build a more efficient local descriptor by replacing the costly gradient information with local texture patterns in the SIFT scheme. As the extension of our first contribution, we also extend the OC-LBP descriptor to different color spaces and propose six color OC-LBP descriptors to enhance the discriminative power and the photometric invariance property of the intensity-based descriptor. The proposed descriptors capture local distribution of texture information in images. Thirdly, we introduce DAISY, a new fast local descriptor based on gradient distribution, to the domain of visual object recognition.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Suchbasierte automatische Bildannotation anhand geokodierter Community-Fotos

In the Web 2.0 era, platforms for sharing and collaboratively annotating images with keywords, called tags, became very popular. Tags are a powerful means for organizing and retrieving photos. However, manual tagging is time consuming. Recently, the sheer amount of user-tagged photos available on the Web encouraged researchers to explore new techniques for automatic image annotation. The idea is to annotate an unlabeled image by propagating the labels of community photos that are visually similar to it. Most recently, an ever increasing amount of community photos is also associated with location information, i.e., geotagged. In this thesis, we aim at exploiting the location context and propose an approach for automatically annotating geotagged photos. Our objective is to address the main limitations of state-of-the-art approaches in terms of the quality of the produced tags and the speed of the complete annotation process. To achieve these goals, we, first, deal with the problem of collecting images with the associated metadata from online repositories. Accordingly, we introduce a strategy for data crawling that takes advantage of location information and the social relationships among the contributors of the photos. To improve the quality of the collected user-tags, we present a method for resolving their ambiguity based on tag relatedness information. In this respect, we propose an approach for representing tags as probability distributions based on the algorithm of Laplacian score feature selection. Furthermore, we propose a new metric for calculating the distance between tag probability distributions by extending Jensen-Shannon Divergence to account for statistical fluctuations. To efficiently identify the visual neighbors, the thesis introduces two extensions to the state-of-the-art image matching algorithm, known as Speeded Up Robust Features (SURF). To speed up the matching, we present a solution for reducing the number of compared SURF descriptors based on classification techniques, while the accuracy of SURF is improved through an efficient method for iterative image matching. Furthermore, we propose a statistical model for ranking the mined annotations according to their relevance to the target image. This is achieved by combining multi-modal information in a statistical framework based on Bayes' rule. Finally, the effectiveness of each of mentioned contributions as well as the complete automatic annotation process are evaluated experimentally.Seit der Einführung von Web 2.0 steigt die Popularität von Plattformen, auf denen Bilder geteilt und durch die Gemeinschaft mit Schlagwörtern, sogenannten Tags, annotiert werden. Mit Tags lassen sich Fotos leichter organisieren und auffinden. Manuelles Taggen ist allerdings sehr zeitintensiv. Animiert von der schieren Menge an im Web zugänglichen, von Usern getaggten Fotos, erforschen Wissenschaftler derzeit neue Techniken der automatischen Bildannotation. Dahinter steht die Idee, ein noch nicht beschriftetes Bild auf der Grundlage visuell ähnlicher, bereits beschrifteter Community-Fotos zu annotieren. Unlängst wurde eine immer größere Menge an Community-Fotos mit geographischen Koordinaten versehen (geottagged). Die Arbeit macht sich diesen geographischen Kontext zunutze und präsentiert einen Ansatz zur automatischen Annotation geogetaggter Fotos. Ziel ist es, die wesentlichen Grenzen der bisher bekannten Ansätze in Hinsicht auf die Qualität der produzierten Tags und die Geschwindigkeit des gesamten Annotationsprozesses aufzuzeigen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zunächst Bilder mit entsprechenden Metadaten aus den Online-Quellen gesammelt. Darauf basierend, wird eine Strategie zur Datensammlung eingeführt, die sich sowohl der geographischen Informationen als auch der sozialen Verbindungen zwischen denjenigen, die die Fotos zur Verfügung stellen, bedient. Um die Qualität der gesammelten User-Tags zu verbessern, wird eine Methode zur Auflösung ihrer Ambiguität vorgestellt, die auf der Information der Tag-Ähnlichkeiten basiert. In diesem Zusammenhang wird ein Ansatz zur Darstellung von Tags als Wahrscheinlichkeitsverteilungen vorgeschlagen, der auf den Algorithmus der sogenannten Laplacian Score (LS) aufbaut. Des Weiteren wird eine Erweiterung der Jensen-Shannon-Divergence (JSD) vorgestellt, die statistische Fluktuationen berücksichtigt. Zur effizienten Identifikation der visuellen Nachbarn werden in der Arbeit zwei Erweiterungen des Speeded Up Robust Features (SURF)-Algorithmus vorgestellt. Zur Beschleunigung des Abgleichs wird eine Lösung auf der Basis von Klassifikationstechniken präsentiert, die die Anzahl der miteinander verglichenen SURF-Deskriptoren minimiert, während die SURF-Genauigkeit durch eine effiziente Methode des schrittweisen Bildabgleichs verbessert wird. Des Weiteren wird ein statistisches Modell basierend auf der Baye'schen Regel vorgeschlagen, um die erlangten Annotationen entsprechend ihrer Relevanz in Bezug auf das Zielbild zu ranken. Schließlich wird die Effizienz jedes einzelnen, erwähnten Beitrags experimentell evaluiert. Darüber hinaus wird die Performanz des vorgeschlagenen automatischen Annotationsansatzes durch umfassende experimentelle Studien als Ganzes demonstriert