Connected image processing with multivariate attributes: an unsupervised Markovian classification approach

International audienceThis article presents a new approach for constructing connected operators for image processing and analysis. It relies on a hierarchical Markovian unsupervised algorithm in order to classify the nodes of the traditional Max-Tree. This approach enables to naturally handle multivariate attributes in a robust non-local way. The technique is demonstrated on several image analysis tasks: filtering, segmentation, and source detection, on astronomical and biomedical images. The obtained results show that the method is competitive despite its general formulation. This article provides also a new insight in the field of hierarchical Markovian image processing showing that morphological trees can advantageously replace traditional quadtrees

Context guided belief propagation for remote sensing image classification.

We propose a context guided belief propagation (BP) algorithm to perform high spatial resolution multispectral imagery (HSRMI) classification efficiently utilizing superpixel representation. One important characteristic of HSRMI is that different land cover objects possess a similar spectral property. This property is exploited to speed up the standard BP (SBP) in the classification process. Specifically, we leverage this property of HSRMI as context information to guide messages passing in SBP. Furthermore, the spectral and structural features extracted at the superpixel level are fed into a Markov random field framework to address the challenge of low interclass variation in HSRMI classification by minimizing the discrete energy through context guided BP (CBP). Experiments show that the proposed CBP is significantly faster than the SBP while retaining similar performance as compared with SBP. Compared to the baseline methods, higher classification accuracy is achieved by the proposed CBP when the context information is used with both spectral and structural features

Hierarchical and Spatial Structures for Interpreting Images of Man-made Scenes Using Graphical Models

The task of semantic scene interpretation is to label the regions of an image and their relations into meaningful classes. Such task is a key ingredient to many computer vision applications, including object recognition, 3D reconstruction and robotic perception. It is challenging partially due to the ambiguities inherent to the image data. The images of man-made scenes, e. g. the building facade images, exhibit strong contextual dependencies in the form of the spatial and hierarchical structures. Modelling these structures is central for such interpretation task. Graphical models provide a consistent framework for the statistical modelling. Bayesian networks and random fields are two popular types of the graphical models, which are frequently used for capturing such contextual information. The motivation for our work comes from the belief that we can find a generic formulation for scene interpretation that having both the benefits from random fields and Bayesian networks. It should have clear semantic interpretability. Therefore our key contribution is the development of a generic statistical graphical model for scene interpretation, which seamlessly integrates different types of the image features, and the spatial structural information and the hierarchical structural information defined over the multi-scale image segmentation. It unifies the ideas of existing approaches, e. g. conditional random field (CRF) and Bayesian network (BN), which has a clear statistical interpretation as the maximum a posteriori (MAP) estimate of a multi-class labelling problem. Given the graphical model structure, we derive the probability distribution of the model based on the factorization property implied in the model structure. The statistical model leads to an energy function that can be optimized approximately by either loopy belief propagation or graph cut based move making algorithm. The particular type of the features, the spatial structure, and the hierarchical structure however is not prescribed. In the experiments, we concentrate on terrestrial man-made scenes as a specifically difficult problem. We demonstrate the application of the proposed graphical model on the task of multi-class classification of building facade image regions. The framework for scene interpretation allows for significantly better classification results than the standard classical local classification approach on man-made scenes by incorporating the spatial and hierarchical structures. We investigate the performance of the algorithms on a public dataset to show the relative importance of the information from the spatial structure and the hierarchical structure. As a baseline for the region classification, we use an efficient randomized decision forest classifier. Two specific models are derived from the proposed graphical model, namely the hierarchical CRF and the hierarchical mixed graphical model. We show that these two models produce better classification results than both the baseline region classifier and the flat CRF.Hierarchische und räumliche Strukturen zur Interpretation von Bildern anthropogener Szenen unter Nutzung graphischer Modelle Ziel der semantischen Bildinterpretation ist es, Bildregionen und ihre gegenseitigen Beziehungen zu kennzeichnen und in sinnvolle Klassen einzuteilen. Dies ist eine der Hauptaufgabe in vielen Bereichen des maschinellen Sehens, wie zum Beispiel der Objekterkennung, 3D Rekonstruktion oder der Wahrnehmung von Robotern. Insbesondere Bilder anthropogener Szenen, wie z.B. Fassadenaufnahmen, sind durch starke räumliche und hierarchische Strukturen gekennzeichnet. Diese Strukturen zu modellieren ist zentrale Teil der Interpretation, für deren statistische Modellierung graphische Modelle ein geeignetes konsistentes Werkzeug darstellen. Bayes Netze und Zufallsfelder sind zwei bekannte und häufig genutzte Beispiele für graphische Modelle zur Erfassung kontextabhängiger Informationen. Die Motivation dieser Arbeit liegt in der überzeugung, dass wir eine generische Formulierung der Bildinterpretation mit klarer semantischer Bedeutung finden können, die die Vorteile von Bayes Netzen und Zufallsfeldern verbindet. Der Hauptbeitrag der vorliegenden Arbeit liegt daher in der Entwicklung eines generischen statistischen graphischen Modells zur Bildinterpretation, welches unterschiedlichste Typen von Bildmerkmalen und die räumlichen sowie hierarchischen Strukturinformationen über eine multiskalen Bildsegmentierung integriert. Das Modell vereinheitlicht die existierender Arbeiten zugrunde liegenden Ideen, wie bedingter Zufallsfelder (conditional random field (CRF)) und Bayesnetze (Bayesian network (BN)). Dieses Modell hat eine klare statistische Interpretation als Maximum a posteriori (MAP) Schätzer eines mehrklassen Zuordnungsproblems. Gegeben die Struktur des graphischen Modells und den dadurch definierten Faktorisierungseigenschaften leiten wir die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Modells ab. Dies führt zu einer Energiefunktion, die näherungsweise optimiert werden kann. Der jeweilige Typ der Bildmerkmale, die räumliche sowie hierarchische Struktur ist von dieser Formulierung unabhängig. Wir zeigen die Anwendung des vorgeschlagenen graphischen Modells anhand der mehrklassen Zuordnung von Bildregionen in Fassadenaufnahmen. Wir demonstrieren, dass das vorgeschlagene Verfahren zur Bildinterpretation, durch die Berücksichtigung räumlicher sowie hierarchischer Strukturen, signifikant bessere Klassifikationsergebnisse zeigt, als klassische lokale Klassifikationsverfahren. Die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens wird anhand eines öffentlich verfügbarer Datensatzes evaluiert. Zur Klassifikation der Bildregionen nutzen wir ein Verfahren basierend auf einem effizienten Random Forest Klassifikator. Aus dem vorgeschlagenen allgemeinen graphischen Modell werden konkret zwei spezielle Modelle abgeleitet, ein hierarchisches bedingtes Zufallsfeld (hierarchical CRF) sowie ein hierarchisches gemischtes graphisches Modell. Wir zeigen, dass beide Modelle bessere Klassifikationsergebnisse erzeugen als die zugrunde liegenden lokalen Klassifikatoren oder die einfachen bedingten Zufallsfelder

A statistical modeling framework for analyzing tree-indexed data: Application to plant development on microscopic and macroscopic scales

We address statistical models for tree-indexed data.In Virtual Plants team, the host team for this thesis, applications of interest focus on plant development and its modulation by environmental and genetic factors.We thus focus on plant developmental applications both at a microscopic level with the study of the cell lineage in the biological tissue responsible for the plant growth, and at a macroscopic level with the mechanism of branch production.Far fewer models are available for tree-indexed data than for path-indexed data.This thesis therefore aims to propose a statistical modeling framework for studying patterns in tree-indexed data.To this end, two different classes of statistical models, Markov and change-point models, are investigatedNous nous intéressons à des modèles statistiques pour données indexées par des arborescences. Dans le contexte de l'équipe Virtual Plants, les applications portent sur le développement de la plante et sa modulation par des facteurs génétiques et environnementaux. Les modèles statistiques pour données indexées par des arborescences sont beaucoup moins développés que ceux pour séquences ou séries temporelles. Cette thèse vise à proposer un cadre de modélisation statistique pour l'identification de patterns dans des données indexées par des arborescences. Deux classes de modèles statistiques, les modèles de Markov et leur extension aux modèles de Markov cachés et les modèles de détection de ruptures multiples, sont étudiés. Nous proposons notamment de nouvelles méthodes dinférence de la structure dindépendance conditionnelle entre nuds parent et enfants dans les modèles de Markov reposant sur des algorithmes de sélection de graphes dans des modèles graphiques probabilistes. Les modèles étudiés sont appliqués dune part à des arborescences de lignage cellulaire à léchelle microscopique et dautre part à des systèmes ramifiés à léchelle macroscopique