Compression, pose tracking, and halftoning

In this thesis, we discuss image compression, pose tracking, and halftoning. Although these areas seem to be unrelated at first glance, they can be connected through video coding as application scenario. Our first contribution is an image compression algorithm based on a rectangular subdivision scheme which stores only a small subsets of the image points. From these points, the remained of the image is reconstructed using partial differential equations. Afterwards, we present a pose tracking algorithm that is able to follow the 3-D position and orientation of multiple objects simultaneously. The algorithm can deal with noisy sequences, and naturally handles both occlusions between different objects, as well as occlusions occurring in kinematic chains. Our third contribution is a halftoning algorithm based on electrostatic principles, which can easily be adjusted to different settings through a number of extensions. Examples include modifications to handle varying dot sizes or hatching. In the final part of the thesis, we show how to combine our image compression, pose tracking, and halftoning algorithms to novel video compression codecs. In each of these four topics, our algorithms yield excellent results that outperform those of other state-of-the-art algorithms.In dieser Arbeit werden die auf den ersten Blick vollkommen voneinander unabhängig erscheinenden Bereiche Bildkompression, 3D-Posenschätzung und Halbtonverfahren behandelt und im Bereich der Videokompression sinnvoll zusammengeführt. Unser erster Beitrag ist ein Bildkompressionsalgorithmus, der auf einem rechteckigen Unterteilungsschema basiert. Dieser Algorithmus speichert nur eine kleine Teilmenge der im Bild vorhandenen Punkte, während die restlichen Punkte mittels partieller Differentialgleichungen rekonstruiert werden. Danach stellen wir ein Posenschätzverfahren vor, welches die 3D-Position und Ausrichtung von mehreren Objekten anhand von Bilddaten gleichzeitig verfolgen kann. Unser Verfahren funktioniert bei verrauschten Videos und im Falle von Objektüberlagerungen. Auch Verdeckungen innerhalb einer kinematischen Kette werden natürlich behandelt. Unser dritter Beitrag ist ein Halbtonverfahren, das auf elektrostatischen Prinzipien beruht. Durch eine Reihe von Erweiterungen kann dieses Verfahren flexibel an verschiedene Szenarien angepasst werden. So ist es beispielsweise möglich, verschiedene Punktgrößen zu verwenden oder Schraffuren zu erzeugen. Der letzte Teil der Arbeit zeigt, wie man unseren Bildkompressionsalgorithmus, unser Posenschätzverfahren und unser Halbtonverfahren zu neuen Videokompressionsalgorithmen kombinieren kann. Die für jeden der vier Themenbereiche entwickelten Verfahren erzielen hervorragende Resultate, welche die Ergebnisse anderer moderner Verfahren übertreffen

Understanding and advancing PDE-based image compression

This thesis is dedicated to image compression with partial differential equations (PDEs). PDE-based codecs store only a small amount of image points and propagate their information into the unknown image areas during the decompression step. For certain classes of images, PDE-based compression can already outperform the current quasi-standard, JPEG2000. However, the reasons for this success are not yet fully understood, and PDE-based compression is still in a proof-of-concept stage. With a probabilistic justification for anisotropic diffusion, we contribute to a deeper insight into design principles for PDE-based codecs. Moreover, by analysing the interaction between efficient storage methods and image reconstruction with diffusion, we can rank PDEs according to their practical value in compression. Based on these observations, we advance PDE-based compression towards practical viability: First, we present a new hybrid codec that combines PDE- and patch-based interpolation to deal with highly textured images. Furthermore, a new video player demonstrates the real-time capacities of PDE-based image interpolation and a new region of interest coding algorithm represents important image areas with high accuracy. Finally, we propose a new framework for diffusion-based image colourisation that we use to build an efficient codec for colour images. Experiments on real world image databases show that our new method is qualitatively competitive to current state-of-the-art codecs.Diese Dissertation ist der Bildkompression mit partiellen Differentialgleichungen (PDEs, partial differential equations) gewidmet. PDE-Codecs speichern nur einen geringen Anteil aller Bildpunkte und transportieren deren Information in fehlende Bildregionen. In einigen Fällen kann PDE-basierte Kompression den aktuellen Quasi-Standard, JPEG2000, bereits schlagen. Allerdings sind die Gründe für diesen Erfolg noch nicht vollständig erforscht, und PDE-basierte Kompression befindet sich derzeit noch im Anfangsstadium. Wir tragen durch eine probabilistische Rechtfertigung anisotroper Diffusion zu einem tieferen Verständnis PDE-basierten Codec-Designs bei. Eine Analyse der Interaktion zwischen effizienten Speicherverfahren und Bildrekonstruktion erlaubt es uns, PDEs nach ihrem Nutzen für die Kompression zu beurteilen. Anhand dieser Einsichten entwickeln wir PDE-basierte Kompression hinsichtlich ihrer praktischen Nutzbarkeit weiter: Wir stellen einen Hybrid-Codec für hochtexturierte Bilder vor, der umgebungsbasierte Interpolation mit PDEs kombiniert. Ein neuer Video-Dekodierer demonstriert die Echtzeitfähigkeit PDE-basierter Interpolation und eine Region-of-Interest-Methode erlaubt es, wichtige Bildbereiche mit hoher Genauigkeit zu speichern. Schlussendlich stellen wir ein neues diffusionsbasiertes Kolorierungsverfahren vor, welches uns effiziente Kompression von Farbbildern ermöglicht. Experimente auf Realwelt-Bilddatenbanken zeigen die Konkurrenzfähigkeit dieses Verfahrens auf

Understanding and advancing PDE-based image compression

This thesis is dedicated to image compression with partial differential equations (PDEs). PDE-based codecs store only a small amount of image points and propagate their information into the unknown image areas during the decompression step. For certain classes of images, PDE-based compression can already outperform the current quasi-standard, JPEG2000. However, the reasons for this success are not yet fully understood, and PDE-based compression is still in a proof-of-concept stage. With a probabilistic justification for anisotropic diffusion, we contribute to a deeper insight into design principles for PDE-based codecs. Moreover, by analysing the interaction between efficient storage methods and image reconstruction with diffusion, we can rank PDEs according to their practical value in compression. Based on these observations, we advance PDE-based compression towards practical viability: First, we present a new hybrid codec that combines PDE- and patch-based interpolation to deal with highly textured images. Furthermore, a new video player demonstrates the real-time capacities of PDE-based image interpolation and a new region of interest coding algorithm represents important image areas with high accuracy. Finally, we propose a new framework for diffusion-based image colourisation that we use to build an efficient codec for colour images. Experiments on real world image databases show that our new method is qualitatively competitive to current state-of-the-art codecs.Diese Dissertation ist der Bildkompression mit partiellen Differentialgleichungen (PDEs, partial differential equations) gewidmet. PDE-Codecs speichern nur einen geringen Anteil aller Bildpunkte und transportieren deren Information in fehlende Bildregionen. In einigen Fällen kann PDE-basierte Kompression den aktuellen Quasi-Standard, JPEG2000, bereits schlagen. Allerdings sind die Gründe für diesen Erfolg noch nicht vollständig erforscht, und PDE-basierte Kompression befindet sich derzeit noch im Anfangsstadium. Wir tragen durch eine probabilistische Rechtfertigung anisotroper Diffusion zu einem tieferen Verständnis PDE-basierten Codec-Designs bei. Eine Analyse der Interaktion zwischen effizienten Speicherverfahren und Bildrekonstruktion erlaubt es uns, PDEs nach ihrem Nutzen für die Kompression zu beurteilen. Anhand dieser Einsichten entwickeln wir PDE-basierte Kompression hinsichtlich ihrer praktischen Nutzbarkeit weiter: Wir stellen einen Hybrid-Codec für hochtexturierte Bilder vor, der umgebungsbasierte Interpolation mit PDEs kombiniert. Ein neuer Video-Dekodierer demonstriert die Echtzeitfähigkeit PDE-basierter Interpolation und eine Region-of-Interest-Methode erlaubt es, wichtige Bildbereiche mit hoher Genauigkeit zu speichern. Schlussendlich stellen wir ein neues diffusionsbasiertes Kolorierungsverfahren vor, welches uns effiziente Kompression von Farbbildern ermöglicht. Experimente auf Realwelt-Bilddatenbanken zeigen die Konkurrenzfähigkeit dieses Verfahrens auf

Motion inpainting by an image-based geodesic AMLE method

Comunicació presentada al congrés 25th IEEE International Conference on Image Processing (ICIP) celebrat del 7 al 10 d'octubre de 2018 a Atenes, Grècia.This work presents an automatic method for optical flow inpainting. Given a video, each frame domain is endowed with a Riemannian metric based on the video pixel values. The missing optical flow is recovered by solving the Absolutely Minimizing Lipschitz Extension (AMLE) partial differential equation on the Riemannian manifold. An efficient numerical algorithm is proposed using eikonal operators for nonlinear elliptic partial differential equations on a finite graph. The choice of the metric is discussed and the method is applied to optical flow inpainting and sparse-to-dense optical flow estimation, achieving top-tier performance in terms of End-Point-Error (EPE).This work is partially supported by MINECO/FEDER UE project, with reference TIN2015-70410-C2-1-R and by RISE project NoMADS

Motion inpainting by an image-based geodesic AMLE method

Comunicació presentada al congrés 25th IEEE International Conference on Image Processing (ICIP) celebrat del 7 al 10 d'octubre de 2018 a Atenes, Grècia.This work presents an automatic method for optical flow inpainting. Given a video, each frame domain is endowed with a Riemannian metric based on the video pixel values. The missing optical flow is recovered by solving the Absolutely Minimizing Lipschitz Extension (AMLE) partial differential equation on the Riemannian manifold. An efficient numerical algorithm is proposed using eikonal operators for nonlinear elliptic partial differential equations on a finite graph. The choice of the metric is discussed and the method is applied to optical flow inpainting and sparse-to-dense optical flow estimation, achieving top-tier performance in terms of End-Point-Error (EPE).This work is partially supported by MINECO/FEDER UE project, with reference TIN2015-70410-C2-1-R and by RISE project NoMADS