Detection of crack-like indications in digital radiography by global optimisation of a probabilistic estimation function

A new algorithm for detection of longitudinal crack-like indications in radiographic images is developed in this work. Conventional local detection techniques give unsatisfactory results for this task due to the low signal to noise ratio (SNR ~ 1) of crack-like indications in radiographic images. The usage of global features of crack-like indications provides the necessary noise resistance, but this is connected with prohibitive computational complexities of detection and difficulties in a formal description of the indication shape. Conventionally, the excessive computational complexity of the solution is reduced by usage of heuristics. The heuristics to be used, are selected on a trial and error basis, are problem dependent and do not guarantee the optimal solution. Not following this way is a distinctive feature of the algorithm developed here. Instead, a global characteristic of crack-like indication (the estimation function) is used, whose maximum in the space of all possible positions, lengths and shapes can be found exactly, i.e. without any heuristics. The proposed estimation function is defined as a sum of a posteriori information gains about hypothesis of indication presence in each point along the whole hypothetical indication. The gain in the information about hypothesis of indication presence results from the analysis of the underlying image in the local area. Such an estimation function is theoretically justified and exhibits a desirable behaviour on changing signals. The developed algorithm is implemented in the C++ programming language and testet on synthetic as well as on real images. It delivers good results (high correct detection rate by given false alarm rate) which are comparable to the performance of trained human inspectors.In dieser Arbeit wurde ein neuer Algorithmus zur Detektion rissartiger Anzeigen in der digitalen Radiographie entwickelt. Klassische lokale Detektionsmethoden versagen wegen des geringen Signal-Rausch-Verhältnisses (von ca. 1) der Rissanzeigen in den Radiographien. Die notwendige Resistenz gegen Rauschen wird durch die Benutzung von globalen Merkmalen dieser Anzeigen erzielt. Das ist aber mit einem undurchführbaren Rechenaufwand sowie Problemen bei der formalen Beschreibung der Rissform verbunden. Üblicherweise wird ein übermäßiger Rechenaufwand bei der Lösung vergleichbarer Probleme durch Anwendung von Heuristisken reduziert. Dazu benuzte Heuristiken werden mit der Versuchs-und-Irrtums-Methode ermittelt, sind stark problemangepasst und können die optimale Lösung nicht garantieren. Das Besondere dieser Arbeit ist anderer Lösungsansatz, der jegliche Heuristik bei der Suche nach Rissanzeigen vermeidet. Ein globales wahrscheinlichkeitstheoretisches Merkmal, hier Schätzfunktion genannt, wird konstruiert, dessen Maximum unter allen möglichen Formen, Längen und Positionen der Rissanzeige exakt (d.h. ohne Einsatz jeglicher Heuristik) gefunden werden kann. Diese Schätzfunktion wird als die Summe des a posteriori Informationsgewinns bezüglich des Vorhandenseins eines Risses im jeden Punkt entlang der hypothetischen Rissanzeige definiert. Der Informationsgewinn entsteht durch die Überprüfung der Hypothese der Rissanwesenheit anhand der vorhandenen Bildinformation. Eine so definierte Schätzfunktion ist theoretisch gerechtfertigt und besitzt die gewünschten Eigenschaften bei wechselnder Anzeigenintensität. Der Algorithmus wurde in der Programmiersprache C++ implementiert. Seine Detektionseigenschaften wurden sowohl mit simulierten als auch mit realen Bildern untersucht. Der Algorithmus liefert gute Ergenbise (hohe Detektionsrate bei einer vorgegebenen Fehlalarmrate), die jeweils vergleichbar mit den Ergebnissen trainierter menschlicher Auswerter sind

Sparse Modeling for Image and Vision Processing

In recent years, a large amount of multi-disciplinary research has been conducted on sparse models and their applications. In statistics and machine learning, the sparsity principle is used to perform model selection---that is, automatically selecting a simple model among a large collection of them. In signal processing, sparse coding consists of representing data with linear combinations of a few dictionary elements. Subsequently, the corresponding tools have been widely adopted by several scientific communities such as neuroscience, bioinformatics, or computer vision. The goal of this monograph is to offer a self-contained view of sparse modeling for visual recognition and image processing. More specifically, we focus on applications where the dictionary is learned and adapted to data, yielding a compact representation that has been successful in various contexts.Comment: 205 pages, to appear in Foundations and Trends in Computer Graphics and Visio

Inference by Learning: Speeding-up Graphical Model Optimization via a Coarse-to-Fine Cascade of Pruning Classifiers

We propose a general and versatile framework that significantly speeds-up graphical model optimization while maintaining an excellent solution accuracy. The proposed approach, refereed as Inference by Learning or in short as IbyL, relies on a multi-scale pruning scheme that progressively reduces the solution space by use of a coarse-to-fine cascade of learnt classifiers. We thoroughly experiment with classic computer vision related MRF problems, where our novel framework constantly yields a significant time speed-up (with respect to the most efficient inference methods) and obtains a more accurate solution than directly optimizing the MRF. We make our code available on-line [4]

Human perception-oriented segmentation for triangle meshes

A segmentação de malhas é um tópico importante de investigação em computação gráfica, em particular em modelação geométrica. Isto deve-se ao facto de as técnicas de segmentaçãodemalhasteremváriasaplicações,nomeadamentenaproduçãodefilmes, animaçãoporcomputador, realidadevirtual, compressãodemalhas, assimcomoemjogosdigitais. Emconcreto, asmalhastriangularessãoamplamenteusadasemaplicações interativas, visto que sua segmentação em partes significativas (também designada por segmentação significativa, segmentação perceptiva ou segmentação perceptualmente significativa ) é muitas vezes vista como uma forma de acelerar a interação com o utilizador ou a deteção de colisões entre esses objetos 3D definidos por uma malha, bem como animar uma ou mais partes significativas (por exemplo, a cabeça de uma personagem) de um dado objeto, independentemente das restantes partes. Acontece que não se conhece nenhuma técnica capaz de segmentar correctamente malhas arbitrárias −ainda que restritas aos domínios de formas livres e não-livres− em partes significativas. Algumas técnicas são mais adequadas para objetos de forma não-livre (por exemplo, peças mecânicas definidas geometricamente por quádricas), enquanto outras são mais talhadas para o domínio dos objectos de forma livre. Só na literatura recente surgem umas poucas técnicas que se aplicam a todo o universo de objetos de forma livre e não-livre. Pior ainda é o facto de que a maioria das técnicas de segmentação não serem totalmente automáticas, no sentido de que quase todas elas exigem algum tipo de pré-requisitos e assistência do utilizador. Resumindo, estes três desafios relacionados com a proximidade perceptual, generalidade e automação estão no cerne do trabalho descrito nesta tese. Para enfrentar estes desafios, esta tese introduz o primeiro algoritmo de segmentação baseada nos contornos ou fronteiras dos segmentos, cuja técnica se inspira nas técnicas de segmentação baseada em arestas, tão comuns em análise e processamento de imagem,porcontraposiçãoàstécnicasesegmentaçãobaseadaemregiões. Aideiaprincipal é a de encontrar em primeiro lugar a fronteira de cada região para, em seguida, identificar e agrupar todos os seus triângulos internos. As regiões da malha encontradas correspondem a saliências e reentrâncias, que não precisam de ser estritamente convexas, nem estritamente côncavas, respectivamente. Estas regiões, designadas regiões relaxadamenteconvexas(ousaliências)eregiõesrelaxadamentecôncavas(oureentrâncias), produzem segmentações que são menos sensíveis ao ruído e, ao mesmo tempo, são mais intuitivas do ponto de vista da perceção humana; por isso, é designada por segmentação orientada à perceção humana (ou, human perception- oriented (HPO), do inglês). Além disso, e ao contrário do atual estado-da-arte da segmentação de malhas, a existência destas regiões relaxadas torna o algoritmo capaz de segmentar de maneira bastante plausível tanto objectos de forma não-livre como objectos de forma livre. Nesta tese, enfrentou-se também um quarto desafio, que está relacionado com a fusão de segmentação e multi-resolução de malhas. Em boa verdade, já existe na literatura uma variedade grande de técnicas de segmentação, bem como um número significativo de técnicas de multi-resolução, para malhas triangulares. No entanto, não é assim tão comum encontrar estruturas de dados e algoritmos que façam a fusão ou a simbiose destes dois conceitos, multi-resolução e segmentação, num único esquema multi-resolução que sirva os propósitos das aplicações que lidam com malhas simples e segmentadas, sendo que neste contexto se entende que uma malha simples é uma malha com um único segmento. Sendo assim, nesta tese descreve-se um novo esquema (entenda-seestruturasdedadosealgoritmos)demulti-resoluçãoesegmentação,designado por extended Ghost Cell (xGC). Este esquema preserva a forma das malhas, tanto em termos globais como locais, ou seja, os segmentos da malha e as suas fronteiras, bem como os seus vincos e ápices são preservados, não importa o nível de resolução que usamos durante a/o simplificação/refinamento da malha. Além disso, ao contrário de outros esquemas de segmentação, tornou-se possível ter segmentos adjacentes com dois ou mais níveis de resolução de diferença. Isto é particularmente útil em animação por computador, compressão e transmissão de malhas, operações de modelação geométrica, visualização científica e computação gráfica. Em suma, esta tese apresenta um esquema genérico, automático, e orientado à percepção humana, que torna possível a simbiose dos conceitos de segmentação e multiresolução de malhas trianguladas que sejam representativas de objectos 3D.The mesh segmentation is an important topic in computer graphics, in particular in geometric computing. This is so because mesh segmentation techniques find many applications in movies, computer animation, virtual reality, mesh compression, and games. Infact, trianglemeshesarewidelyusedininteractiveapplications, sothattheir segmentation in meaningful parts (i.e., human-perceptually segmentation, perceptive segmentationormeaningfulsegmentation)isoftenseenasawayofspeedinguptheuser interaction, detecting collisions between these mesh-covered objects in a 3D scene, as well as animating one or more meaningful parts (e.g., the head of a humanoid) independently of the other parts of a given object. It happens that there is no known technique capable of correctly segmenting any mesh into meaningful parts. Some techniques are more adequate for non-freeform objects (e.g., quadricmechanicalparts), whileothersperformbetterinthedomainoffreeform objects. Only recently, some techniques have been developed for the entire universe of objects and shapes. Even worse it is the fact that most segmentation techniques are not entirely automated in the sense that almost all techniques require some sort of pre-requisites and user assistance. Summing up, these three challenges related to perceptual proximity, generality and automation are at the core of the work described in this thesis. In order to face these challenges, we have developed the first contour-based mesh segmentation algorithm that we may find in the literature, which is inspired in the edgebased segmentation techniques used in image analysis, as opposite to region-based segmentation techniques. Its leading idea is to firstly find the contour of each region, and then to identify and collect all of its inner triangles. The encountered mesh regions correspond to ups and downs, which do not need to be strictly convex nor strictly concave, respectively. These regions, called relaxedly convex regions (or saliences) and relaxedly concave regions (or recesses), produce segmentations that are less-sensitive to noise and, at the same time, are more intuitive from the human point of view; hence it is called human perception- oriented (HPO) segmentation. Besides, and unlike the current state-of-the-art in mesh segmentation, the existence of these relaxed regions makes the algorithm suited to both non-freeform and freeform objects. In this thesis, we have also tackled a fourth challenge, which is related with the fusion of mesh segmentation and multi-resolution. Truly speaking, a plethora of segmentation techniques, as well as a number of multiresolution techniques, for triangle meshes already exist in the literature. However, it is not so common to find algorithms and data structures that fuse these two concepts, multiresolution and segmentation, into a symbiotic multi-resolution scheme for both plain and segmented meshes, in which a plainmeshisunderstoodasameshwithasinglesegment. So, weintroducesuchanovel multiresolution segmentation scheme, called extended Ghost Cell (xGC) scheme. This scheme preserves the shape of the meshes in both global and local terms, i.e., mesh segments and their boundaries, as well as creases and apices are preserved, no matter the level of resolution we use for simplification/refinement of the mesh. Moreover, unlike other segmentation schemes, it was made possible to have adjacent segments with two or more resolution levels of difference. This is particularly useful in computer animation, mesh compression and transmission, geometric computing, scientific visualization, and computer graphics. In short, this thesis presents a fully automatic, general, and human perception-oriented scheme that symbiotically integrates the concepts of mesh segmentation and multiresolution