Point-wise mutual information-based video segmentation with high temporal consistency

In this paper, we tackle the problem of temporally consistent boundary detection and hierarchical segmentation in videos. While finding the best high-level reasoning of region assignments in videos is the focus of much recent research, temporal consistency in boundary detection has so far only rarely been tackled. We argue that temporally consistent boundaries are a key component to temporally consistent region assignment. The proposed method is based on the point-wise mutual information (PMI) of spatio-temporal voxels. Temporal consistency is established by an evaluation of PMI-based point affinities in the spectral domain over space and time. Thus, the proposed method is independent of any optical flow computation or previously learned motion models. The proposed low-level video segmentation method outperforms the learning-based state of the art in terms of standard region metrics

Learning Must-Link Constraints for Video Segmentation Based on Spectral Clustering

Abstract. In recent years it has been shown that clustering and seg-mentation methods can greatly benefit from the integration of prior in-formation in terms of must-link constraints. Very recently the use of such constraints has been integrated in a rigorous manner also in graph-based methods such as normalized cut. On the other hand spectral cluster-ing as relaxation of the normalized cut has been shown to be among the best methods for video segmentation. In this paper we merge these two developments and propose to learn must-link constraints for video segmentation with spectral clustering. We show that the integration of learned must-link constraints not only improves the segmentation result but also significantly reduces the required runtime, making the use of costly spectral methods possible for today’s high quality video.

Learning must-link constraints for video segmentation based on spectral clustering

In recent years it has been shown that clustering and segmentation methods can greatly benefit from the integration of prior information in terms of must-link constraints. Very recently the use of such constraints has been integrated in a rigorous manner also in graph-based methods such as normalized cut. On the other hand spectral clustering as relaxation of the normalized cut has been shown to be among the best methods for video segmentation. In this paper we merge these two developments and propose to learn must-link constraints for video segmentation with spectral clustering. We show that the integration of learned must-link constraints not only improves the segmentation result but also significantly reduces the required runtime, making the use of costly spectral methods possible for today’s high quality video

Bayesian non-parametrics for multi-modal segmentation

Segmentation is a fundamental and core problem in computer vision research which has applications in many tasks, such as object recognition, content-based image retrieval, and semantic labelling. To partition the data into groups coherent in one or more characteristics such as semantic classes, is often a first step towards understanding the content of data. As information in the real world is generally perceived in multiple modalities, segmentation performed on multi-modal data for extracting the latent structure usually encounters a challenge: how to combine features from multiple modalities and resolve accidental ambiguities. This thesis tackles three main axes of multi-modal segmentation problems: video segmentation and object discovery, activity segmentation and discovery, and segmentation in 3D data. For the first two axes, we introduce non-parametric Bayesian approaches for segmenting multi-modal data collections, including groups of videos and context sensor streams. The proposed method shows benefits on: integrating multiple features and data dependencies in a probabilistic formulation, inferring the number of clusters from data and hierarchical semantic partitions, as well as resolving ambiguities by joint segmentation across videos or streams. The third axis focuses on the robust use of 3D information for various applications, as 3D perception provides richer geometric structure and holistic observation of the visual scene. The studies covered in this thesis for utilizing various types of 3D data include: 3D object segmentation based on Kinect depth sensing improved by cross-modal stereo, matching 3D CAD models to objects on 2D image plane by exploiting the differentiability of the HOG descriptor, segmenting stereo videos based on adaptive ensemble models, and fusing 2D object detectors with 3D context information for an augmented reality application scenario.Segmentierung ist ein zentrales problem in der Computer Vision Forschung mit Anwendungen in vielen Bereichen wie der Objekterkennung, der inhaltsbasierten Bildsuche und dem semantischen Labelling. Daten in Gruppen zu partitionieren, die in einer oder mehreren Eigenschaften wie zum Beispiel der semantischen Klasse übereinstimmen, ist oft ein erster Schritt in Richtung Inhaltsanalyse. Da Informationen in der realen Welt im Allgemeinen multi-modal wahrgenommen werden, wird die Segmentierung auf multi-modale Daten angewendet und die latente Struktur dahinter extrahiert. Dies stellt in der Regel eine Herausforderung dar: Wie kombiniert man Merkmale aus mehreren Modalitäten und beseitigt zufällige Mehrdeutigkeiten? Diese Doktorarbeit befasst sich mit drei Hauptachsen multi-modaler Segmentierungsprobleme: Videosegmentierung und Objektentdeckung, Aktivitätssegmentierung und –entdeckung, sowie Segmentierung von 3D Daten. Für die ersten beiden Achsen führen wir nichtparametrische Bayessche Ansätze ein um multi-modale Datensätze wie Videos und Kontextsensor-Ströme zu segmentieren. Die vorgeschlagene Methode zeigt Vorteile in folgenden Bereichen: Integration multipler Merkmale und Datenabhängigkeiten in probabilistischen Formulierungen, Bestimmung der Anzahl der Cluster und hierarchische, semantischen Partitionen, sowie die Beseitigung von Mehrdeutigkeiten in gemeinsamen Segmentierungen in Videos und Sensor-Strömen. Die dritte Achse konzentiert sich auf die robuste Nutzung von 3D Informationen für verschiedene Anwendungen. So bietet die 3D-Wahrnehmung zum Beispiel reichere geometrische Strukturen und eine holistische Betrachtung der sichtbaren Szene. Die Untersuchungen, die in dieser Arbeit zur Nutzung verschiedener Arten von 3D-Daten vorgestellt werden, umfassen: die 3D-Objektsegmentierung auf Basis der Kinect Tiefenmessung, verbessert durch cross-modale Stereoverfahren, die Anpassung von 3D-CAD-Modellen auf Objekte in der 2D-Bildebene durch Ausnutzung der Differenzierbarkeit des HOG-Descriptors, die Segmentierung von Stereo-Videos, basierend auf adaptiven Ensemble-Modellen, sowie der Verschmelzung von 2D- Objektdetektoren mit 3D-Kontextinformationen für ein Augmented-Reality Anwendungsszenario

Bayesian non-parametrics for multi-modal segmentation

Segmentation is a fundamental and core problem in computer vision research which has applications in many tasks, such as object recognition, content-based image retrieval, and semantic labelling. To partition the data into groups coherent in one or more characteristics such as semantic classes, is often a first step towards understanding the content of data. As information in the real world is generally perceived in multiple modalities, segmentation performed on multi-modal data for extracting the latent structure usually encounters a challenge: how to combine features from multiple modalities and resolve accidental ambiguities. This thesis tackles three main axes of multi-modal segmentation problems: video segmentation and object discovery, activity segmentation and discovery, and segmentation in 3D data. For the first two axes, we introduce non-parametric Bayesian approaches for segmenting multi-modal data collections, including groups of videos and context sensor streams. The proposed method shows benefits on: integrating multiple features and data dependencies in a probabilistic formulation, inferring the number of clusters from data and hierarchical semantic partitions, as well as resolving ambiguities by joint segmentation across videos or streams. The third axis focuses on the robust use of 3D information for various applications, as 3D perception provides richer geometric structure and holistic observation of the visual scene. The studies covered in this thesis for utilizing various types of 3D data include: 3D object segmentation based on Kinect depth sensing improved by cross-modal stereo, matching 3D CAD models to objects on 2D image plane by exploiting the differentiability of the HOG descriptor, segmenting stereo videos based on adaptive ensemble models, and fusing 2D object detectors with 3D context information for an augmented reality application scenario.Segmentierung ist ein zentrales problem in der Computer Vision Forschung mit Anwendungen in vielen Bereichen wie der Objekterkennung, der inhaltsbasierten Bildsuche und dem semantischen Labelling. Daten in Gruppen zu partitionieren, die in einer oder mehreren Eigenschaften wie zum Beispiel der semantischen Klasse übereinstimmen, ist oft ein erster Schritt in Richtung Inhaltsanalyse. Da Informationen in der realen Welt im Allgemeinen multi-modal wahrgenommen werden, wird die Segmentierung auf multi-modale Daten angewendet und die latente Struktur dahinter extrahiert. Dies stellt in der Regel eine Herausforderung dar: Wie kombiniert man Merkmale aus mehreren Modalitäten und beseitigt zufällige Mehrdeutigkeiten? Diese Doktorarbeit befasst sich mit drei Hauptachsen multi-modaler Segmentierungsprobleme: Videosegmentierung und Objektentdeckung, Aktivitätssegmentierung und –entdeckung, sowie Segmentierung von 3D Daten. Für die ersten beiden Achsen führen wir nichtparametrische Bayessche Ansätze ein um multi-modale Datensätze wie Videos und Kontextsensor-Ströme zu segmentieren. Die vorgeschlagene Methode zeigt Vorteile in folgenden Bereichen: Integration multipler Merkmale und Datenabhängigkeiten in probabilistischen Formulierungen, Bestimmung der Anzahl der Cluster und hierarchische, semantischen Partitionen, sowie die Beseitigung von Mehrdeutigkeiten in gemeinsamen Segmentierungen in Videos und Sensor-Strömen. Die dritte Achse konzentiert sich auf die robuste Nutzung von 3D Informationen für verschiedene Anwendungen. So bietet die 3D-Wahrnehmung zum Beispiel reichere geometrische Strukturen und eine holistische Betrachtung der sichtbaren Szene. Die Untersuchungen, die in dieser Arbeit zur Nutzung verschiedener Arten von 3D-Daten vorgestellt werden, umfassen: die 3D-Objektsegmentierung auf Basis der Kinect Tiefenmessung, verbessert durch cross-modale Stereoverfahren, die Anpassung von 3D-CAD-Modellen auf Objekte in der 2D-Bildebene durch Ausnutzung der Differenzierbarkeit des HOG-Descriptors, die Segmentierung von Stereo-Videos, basierend auf adaptiven Ensemble-Modellen, sowie der Verschmelzung von 2D- Objektdetektoren mit 3D-Kontextinformationen für ein Augmented-Reality Anwendungsszenario

Learning to segment in images and videos with different forms of supervision

Much progress has been made in image and video segmentation over the last years. To a large extent, the success can be attributed to the strong appearance models completely learned from data, in particular using deep learning methods. However, to perform best these methods require large representative datasets for training with expensive pixel-level annotations, which in case of videos are prohibitive to obtain. Therefore, there is a need to relax this constraint and to consider alternative forms of supervision, which are easier and cheaper to collect. In this thesis, we aim to develop algorithms for learning to segment in images and videos with different levels of supervision. First, we develop approaches for training convolutional networks with weaker forms of supervision, such as bounding boxes or image labels, for object boundary estimation and semantic/instance labelling tasks. We propose to generate pixel-level approximate groundtruth from these weaker forms of annotations to train a network, which allows to achieve high-quality results comparable to the full supervision quality without any modifications of the network architecture or the training procedure. Second, we address the problem of the excessive computational and memory costs inherent to solving video segmentation via graphs. We propose approaches to improve the runtime and memory efficiency as well as the output segmentation quality by learning from the available training data the best representation of the graph. In particular, we contribute with learning must-link constraints, the topology and edge weights of the graph as well as enhancing the graph nodes - superpixels - themselves. Third, we tackle the task of pixel-level object tracking and address the problem of the limited amount of densely annotated video data for training convolutional networks. We introduce an architecture which allows training with static images only and propose an elaborate data synthesis scheme which creates a large number of training examples close to the target domain from the given first frame mask. With the proposed techniques we show that densely annotated consequent video data is not necessary to achieve high-quality temporally coherent video segmentation results. In summary, this thesis advances the state of the art in weakly supervised image segmentation, graph-based video segmentation and pixel-level object tracking and contributes with the new ways of training convolutional networks with a limited amount of pixel-level annotated training data.In der Bild- und Video-Segmentierung wurden im Laufe der letzten Jahre große Fortschritte erzielt. Dieser Erfolg beruht weitgehend auf starken Appearance Models, die vollständig aus Daten gelernt werden, insbesondere mit Deep Learning Methoden. Für beste Performanz benötigen diese Methoden jedoch große repräsentative Datensätze für das Training mit teuren Annotationen auf Pixelebene, die bei Videos unerschwinglich sind. Deshalb ist es notwendig, diese Einschränkung zu überwinden und alternative Formen des überwachten Lernens in Erwägung zu ziehen, die einfacher und kostengünstiger zu sammeln sind. In dieser Arbeit wollen wir Algorithmen zur Segmentierung von Bildern und Videos mit verschiedenen Ebenen des überwachten Lernens entwickeln. Zunächst entwickeln wir Ansätze zum Training eines faltenden Netzwerkes (convolutional network) mit schwächeren Formen des überwachten Lernens, wie z.B. Begrenzungsrahmen oder Bildlabel, für Objektbegrenzungen und Semantik/Instanz- Klassifikationsaufgaben. Wir schlagen vor, aus diesen schwächeren Formen von Annotationen eine annähernde Ground Truth auf Pixelebene zu generieren, um ein Netzwerk zu trainieren, das hochwertige Ergebnisse ermöglicht, die qualitativ mit denen bei voll überwachtem Lernen vergleichbar sind, und dies ohne Änderung der Netzwerkarchitektur oder des Trainingsprozesses. Zweitens behandeln wir das Problem des beträchtlichen Rechenaufwands und Speicherbedarfs, das der Segmentierung von Videos mittels Graphen eigen ist. Wir schlagen Ansätze vor, um sowohl die Laufzeit und Speichereffizienz als auch die Qualität der Segmentierung zu verbessern, indem aus den verfügbaren Trainingsdaten die beste Darstellung des Graphen gelernt wird. Insbesondere leisten wir einen Beitrag zum Lernen mit must-link Bedingungen, zur Topologie und zu Kantengewichten des Graphen sowie zu verbesserten Superpixeln. Drittens gehen wir die Aufgabe des Objekt-Tracking auf Pixelebene an und befassen uns mit dem Problem der begrenzten Menge von dicht annotierten Videodaten zum Training eines faltenden Netzwerkes. Wir stellen eine Architektur vor, die das Training nur mit statischen Bildern ermöglicht, und schlagen ein aufwendiges Schema zur Datensynthese vor, das aus der gegebenen ersten Rahmenmaske eine große Anzahl von Trainingsbeispielen ähnlich der Zieldomäne schafft. Mit den vorgeschlagenen Techniken zeigen wir, dass dicht annotierte zusammenhängende Videodaten nicht erforderlich sind, um qualitativ hochwertige zeitlich kohärente Resultate der Segmentierung von Videos zu erhalten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit den Stand der Technik in schwach überwachter Segmentierung von Bildern, graphenbasierter Segmentierung von Videos und Objekt-Tracking auf Pixelebene weiter entwickelt, und mit neuen Formen des Trainings faltender Netzwerke bei einer begrenzten Menge von annotierten Trainingsdaten auf Pixelebene einen Beitrag leistet