Robust 3D face capture using example-based photometric stereo

We show that using example-based photometric stereo, it is possible to achieve realistic reconstructions of the human face. The method can handle non-Lambertian reflectance and attached shadows after a simple calibration step. We use spherical harmonics to model and de-noise the illumination functions from images of a reference object with known shape, and a fast grid technique to invert those functions and recover the surface normal for each point of the target object. The depth coordinate is obtained by weighted multi-scale integration of these normals, using an integration weight mask obtained automatically from the images themselves. We have applied these techniques to improve the PHOTOFACE system of Hansen et al. (2010). © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved

Unifying the Visible and Passive Infrared Bands: Homogeneous and Heterogeneous Multi-Spectral Face Recognition

Face biometrics leverages tools and technology in order to automate the identification of individuals. In most cases, biometric face recognition (FR) can be used for forensic purposes, but there remains the issue related to the integration of technology into the legal system of the court. The biggest challenge with the acceptance of the face as a modality used in court is the reliability of such systems under varying pose, illumination and expression, which has been an active and widely explored area of research over the last few decades (e.g. same-spectrum or homogeneous matching). The heterogeneous FR problem, which deals with matching face images from different sensors, should be examined for the benefit of military and law enforcement applications as well. In this work we are concerned primarily with visible band images (380-750 nm) and the infrared (IR) spectrum, which has become an area of growing interest.;For homogeneous FR systems, we formulate and develop an efficient, semi-automated, direct matching-based FR framework, that is designed to operate efficiently when face data is captured using either visible or passive IR sensors. Thus, it can be applied in both daytime and nighttime environments. First, input face images are geometrically normalized using our pre-processing pipeline prior to feature-extraction. Then, face-based features including wrinkles, veins, as well as edges of facial characteristics, are detected and extracted for each operational band (visible, MWIR, and LWIR). Finally, global and local face-based matching is applied, before fusion is performed at the score level. Although this proposed matcher performs well when same-spectrum FR is performed, regardless of spectrum, a challenge exists when cross-spectral FR matching is performed. The second framework is for the heterogeneous FR problem, and deals with the issue of bridging the gap across the visible and passive infrared (MWIR and LWIR) spectrums. Specifically, we investigate the benefits and limitations of using synthesized visible face images from thermal and vice versa, in cross-spectral face recognition systems when utilizing canonical correlation analysis (CCA) and locally linear embedding (LLE), a manifold learning technique for dimensionality reduction. Finally, by conducting an extensive experimental study we establish that the combination of the proposed synthesis and demographic filtering scheme increases system performance in terms of rank-1 identification rate

Gradient-Based Surface Reconstruction and the Application to Wind Waves

New gradient-based surface reconstruction techniques are presented: regularized least absolute deviations based methods using common discrete differential operators, and spline based methods. All new methods are formulated in the same mathematical framework as convex optimization problems and can handle non-rectangular domains. For the spline based methods, either common P-splines or P1-splines can be used. Extensive reconstruction error analysis shows that the new P1-spline based method is superior to conventional methods in the case of gradient fields corrupted with outliers. In the analysis, both spline based methods provide the lowest reconstruction errors for reconstructions from incomplete gradient fields. Furthermore, the pre-processing of gradient fields is investigated. Median filter pre-processing offers a computationally efficient method that is robust to outliers. After the reconstruction error analysis, selected reconstruction methods are applied to imaging slope gauge data measured in the wind-wave facility Aeolotron in Heidelberg. Using newly developed segmentation methods, it is possible to detect different coordinate system orientations of gradient field data and reconstruction algorithms. In addition, the use of a zero slope correction for reconstructions from the provided imaging slope gauge data is justified. The impact of light refracting bubbles on reconstructions from this data is part of this thesis as well. Finally, some water surface reconstructions for measurement conditions with different fetch lengths at the same wind speed in the Aeolotron are shown

Computational Strategies for Object Recognition

This article reviews the available methods forautomated identification of objects in digital images. The techniques are classified into groups according to the nature of the computational strategy used. Four classes are proposed: (1) the s~mplest strategies, which work on data appropriate for feature vector classification, (2) methods that match models to symbolic data structures for situations involving reliable data and complex models, (3) approaches that fit models to the photometry and are appropriate for noisy data and simple models, and (4) combinations of these strategies, which must be adopted in complex situations Representative examples of various methods are summarized, and the classes of strategies are evaluated with respect to their appropriateness for particular applications

Segmentation multi-vues d'objet

There has been a growing interest for multi-camera systems and many interesting works have tried to tackle computer vision problems in this particular configuration. The general objective is to propose new multi-view oriented methods instead of applying limited monocular approaches independently for each viewpoint. The work in this thesis is an attempt to have a better understanding of the multi-view object segmentation problem and to propose an alternative approach making maximum use of the available information from different viewpoints.Multiple view segmentation consists in segmenting objects simultaneously in several views. Classic monocular segmentation approaches reason on a single image and do not benefit from the presence of several viewpoints. A key issue in that respect is to ensure propagation of segmentation information between views while minimizing complexity and computational cost. In this work, we first investigate the idea that examining measurements at the projections of a sparse set of 3D points is sufficient to achieve this goal. The proposed algorithm softly assigns each of these 3D samples to the scene background if it projects on the background region in at least one view, or to the foreground if it projects on foreground region in all views. A complete probabilistic framework is proposed to estimate foreground/background color models and the method is tested on various datasets from state of the art.Two different extensions of the sparse 3D sampling segmentation framework are proposed in two scenarios. In the first, we show the flexibility of the sparse sampling framework, by using variational inference to integrate Gaussian mixture models as appearance models. In the second scenario, we propose a study of how to incorporate depth measurements in multi-view segmentation. We present a quantitative evaluation, showing that typical color-based segmentation robustness issues due to color-space ambiguity between foreground and background, can be at least partially mitigated by using depth, and that multi-view color depth segmentation also improves over monocular color depth segmentation strategies.The various tests also showed the limitations of the proposed 3D sparse sampling approach which was the motivation to propose a new method based on a richer description of image regions using superpixels. This model, that expresses more subtle relationships of the problem trough a graph construction linking superpixels and 3D samples, is one of the contributions of this work. In this new framework, time related information is also integrated. With static views, results compete with state of the art methods but they are achieved with significantly fewer viewpoints. Results on videos demonstrate the benefit of segmentation propagation through geometric and temporal cues.Finally, the last part of the thesis explores the possibilities of tracking in uncalibrated multi-view scenarios. A summary of existing methods in this field is presented, in both mono-camera and multi-camera scenarios. We investigate the potential of using self-similarity matrices to describe and compare motion in the context of multi-view tracking.L’utilisation de systèmes multi-caméras est de plus en plus populaire et il y a un intérêt croissant à résoudre les problèmes de vision par ordinateur dans ce contexte particulier. L’objectif étant de ne pas se limiter à l’application des méthodes monoculaires mais de proposer de nouvelles approches intrinsèquement orientées vers les systèmes multi-caméras. Le travail de cette thèse a pour objectif une meilleure compréhension du problème de segmentation multi-vues, pour proposer une nouvelle approche qui tire meilleur parti de la redondance d’information inhérente à l’utilisation de plusieurs points de vue.La segmentation multi-vues est l’identification de l’objet observé simultanément dans plusieurs caméras et sa séparation de l’arrière-plan. Les approches monoculaires classiques raisonnent sur chaque image de manière indépendante et ne bénéficient pas de la présence de plusieurs points de vue. Une question clé de la segmentation multi-vues réside dans la propagation d’information sur la segmentation entres les images tout en minimisant la complexité et le coût en calcul. Dans ce travail, nous investiguons en premier lieu l’utilisation d’un ensemble épars d’échantillons de points 3D. L’algorithme proposé classe chaque point comme "vide" s’il se projette sur une région du fond et "occupé" s’il se projette sur une région avant-plan dans toutes les vues. Un modèle probabiliste est proposé pour estimer les modèles de couleur de l’avant-plan et de l’arrière-plan, que nous testons sur plusieurs jeux de données de l’état de l’art.Deux extensions du modèle sont proposées. Dans la première, nous montrons la flexibilité de la méthode proposée en intégrant les mélanges de Gaussiennes comme modèles d’apparence. Cette intégration est possible grâce à l’utilisation de l’inférence variationelle. Dans la seconde, nous montrons que le modèle bayésien basé sur les échantillons 3D peut aussi être utilisé si des mesures de profondeur sont présentes. Les résultats de l’évaluation montrent que les problèmes de robustesse, typiquement causés par les ambigüités couleurs entre fond et forme, peuvent être au moins partiellement résolus en utilisant cette information de profondeur. A noter aussi qu’une approche multi-vues reste meilleure qu’une méthode monoculaire utilisant l’information de profondeur.Les différents tests montrent aussi les limitations de la méthode basée sur un échantillonnage éparse. Cela a montré la nécessité de proposer un modèle reposant sur une description plus riche de l’apparence dans les images, en particulier en utilisant les superpixels. L’une des contributions de ce travail est une meilleure modélisation des contraintes grâce à un schéma par coupure de graphes liant les régions d’images aux échantillons 3D. Dans le cas statique, les résultats obtenus rivalisent avec ceux de l’état de l’art mais sont obtenus avec beaucoup moins de points de vue. Les résultats dans le cas dynamique montrent l’intérêt de la propagation de l’information de segmentation à travers la géométrie et le mouvement.Enfin, la dernière partie de cette thèse explore la possibilité d’améliorer le suivi dans les systèmes multi-caméras non calibrés. Un état de l’art sur le suivi monoculaire et multi-caméras est présenté et nous explorons l’utilisation des matrices d’autosimilarité comme moyen de décrire le mouvement et de le comparer entre plusieurs caméras

Segmentation multi-vues d'objet

There has been a growing interest for multi-camera systems and many interesting works have tried to tackle computer vision problems in this particular configuration. The general objective is to propose new multi-view oriented methods instead of applying limited monocular approaches independently for each viewpoint. The work in this thesis is an attempt to have a better understanding of the multi-view object segmentation problem and to propose an alternative approach making maximum use of the available information from different viewpoints. Multiple view segmentation consists in segmenting objects simultaneously in several views. Classic monocular segmentation approaches reason on a single image and do not benefit from the presence of several viewpoints. A key issue in that respect is to ensure propagation of segmentation information between views while minimizing complexity and computational cost. In this work, we first investigate the idea that examining measurements at the projections of a sparse set of 3D points is sufficient to achieve this goal. The proposed algorithm softly assigns each of these 3D samples to the scene background if it projects on the background region in at least one view, or to the foreground if it projects on foreground region in all views. A complete probabilistic framework is proposed to estimate foreground/background color models and the method is tested on various datasets from state of the art. Two different extensions of the sparse 3D sampling segmentation framework are proposed in two scenarios. In the first, we show the flexibility of the sparse sampling framework, by using variational inference to integrate Gaussian mixture models as appearance models. In the second scenario, we propose a study of how to incorporate depth measurements in multi-view segmentation. We present a quantitative evaluation, showing that typical color-based segmentation robustness issues due to color-space ambiguity between foreground and background, can be at least partially mitigated by using depth, and that multi-view color depth segmentation also improves over monocular color depth segmentation strategies. The various tests also showed the limitations of the proposed 3D sparse sampling approach which was the motivation to propose a new method based on a richer description of image regions using superpixels. This model, that expresses more subtle relationships of the problem trough a graph construction linking superpixels and 3D samples, is one of the contributions of this work. In this new framework, time related information is also integrated. With static views, results compete with state of the art methods but they are achieved with significantly fewer viewpoints. Results on videos demonstrate the benefit of segmentation propagation through geometric and temporal cues. Finally, the last part of the thesis explores the possibilities of tracking in uncalibrated multi-view scenarios. A summary of existing methods in this field is presented, in both mono-camera and multi-camera scenarios. We investigate the potential of using self-similarity matrices to describe and compare motion in the context of multi-view tracking.L'utilisation de systèmes multi-caméras est de plus en plus populaire et il y a un intérêt croissant à résoudre les problèmes de vision par ordinateur dans ce contexte particulier. L'objectif étant de ne pas se limiter à l'application des méthodes monoculaires mais de proposer de nouvelles approches intrinsèquement orientées vers les systèmes multi-caméras. Le travail de cette thèse a pour objectif une meilleure compréhension du problème de segmentation multi-vues, pour proposer une nouvelle approche qui tire meilleur parti de la redondance d'information inhérente à l'utilisation de plusieurs points de vue. La segmentation multi-vues est l'identification de l'objet observé simultanément dans plusieurs caméras et sa séparation de l'arrière-plan. Les approches monoculaires classiques raisonnent sur chaque image de manière indépendante et ne bénéficient pas de la présence de plusieurs points de vue. Une question clé de la segmentation multi-vues réside dans la propagation d'information sur la segmentation entres les images tout en minimisant la complexité et le coût en calcul. Dans ce travail, nous investiguons en premier lieu l'utilisation d'un ensemble épars d'échantillons de points 3D. L'algorithme proposé classe chaque point comme "vide" s'il se projette sur une région du fond et "occupé" s'il se projette sur une région avant-plan dans toutes les vues. Un modèle probabiliste est proposé pour estimer les modèles de couleur de l'avant-plan et de l'arrière-plan, que nous testons sur plusieurs jeux de données de l'état de l'art. Deux extensions du modèle sont proposées. Dans la première, nous montrons la flexibilité de la méthode proposée en intégrant les mélanges de Gaussiennes comme modèles d'apparence. Cette intégration est possible grâce à l'utilisation de l'inférence variationelle. Dans la seconde, nous montrons que le modèle bayésien basé sur les échantillons 3D peut aussi être utilisé si des mesures de profondeur sont présentes. Les résultats de l'évaluation montrent que les problèmes de robustesse, typiquement causés par les ambigüités couleurs entre fond et forme, peuvent être au moins partiellement résolus en utilisant cette information de profondeur. A noter aussi qu'une approche multi-vues reste meilleure qu'une méthode monoculaire utilisant l'information de profondeur. Les différents tests montrent aussi les limitations de la méthode basée sur un échantillonnage éparse. Cela a montré la nécessité de proposer un modèle reposant sur une description plus riche de l'apparence dans les images, en particulier en utilisant les superpixels. L'une des contributions de ce travail est une meilleure modélisation des contraintes grâce à un schéma par coupure de graphes liant les régions d'images aux échantillons 3D. Dans le cas statique, les résultats obtenus rivalisent avec ceux de l'état de l'art mais sont obtenus avec beaucoup moins de points de vue. Les résultats dans le cas dynamique montrent l'intérêt de la propagation de l'information de segmentation à travers la géométrie et le mouvement. Enfin, la dernière partie de cette thèse explore la possibilité d'améliorer le suivi dans les systèmes multi-caméras non calibrés. Un état de l'art sur le suivi monoculaire et multi-caméras est présenté et nous explorons l'utilisation des matrices d'autosimilarité comme moyen de décrire le mouvement et de le comparer entre plusieurs caméras

Grouping Uncertain Oriented Projective Geometric Entities with Application to Automatic Building Reconstruction

The fully automatic reconstruction of 3d scenes from a set of 2d images has always been a key issue in photogrammetry and computer vision and has not been solved satisfactory so far. Most of the current approaches match features between the images based on radiometric cues followed by a reconstruction using the image geometry. The motivation for this work is the conjecture that in the presence of highly redundant data it should be possible to recover the scene structure by grouping together geometric primitives in a bottom-up manner. Oriented projective geometry will be used throughout this work, which allows to represent geometric primitives, such as points, lines and planes in 2d and 3d space as well as projective cameras, together with their uncertainty. The first major contribution of the work is the use of uncertain oriented projective geometry, rather than uncertain projective geometry, that enables the representation of more complex compound entities, such as line segments and polygons in 2d and 3d space as well as 2d edgels and 3d facets. Within the uncertain oriented projective framework a procedure is developed, which allows to test pairwise relations between the various uncertain oriented projective entities. Again, the novelty lies in the possibility to check relations between the novel compound entities. The second major contribution of the work is the development of a data structure, specifically designed to enable performing the tests between large numbers of entities in an efficient manner. Being able to efficiently test relations between the geometric entities, a framework for grouping those entities together is developed. Various different grouping methods are discussed. The third major contribution of this work is the development of a novel grouping method that by analyzing the entropy change incurred by incrementally adding observations into an estimation is able to balance efficiency against robustness in order to achieve better grouping results. Finally the applicability of the proposed representations, tests and grouping methods for the task of purely geometry based building reconstruction from oriented aerial images is demonstrated. lt will be shown that in the presence of highly redundant datasets it is possible to achieve reasonable reconstruction results by grouping together geometric primitives.Gruppierung unsicherer orientierter projektiver geometrischer Elemente mit Anwendung in der automatischen Gebäuderekonstruktion Die vollautomatische Rekonstruktion von 3D Szenen aus einer Menge von 2D Bildern war immer ein Hauptanliegen in der Photogrammetrie und Computer Vision und wurde bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst. Die meisten aktuellen Ansätze ordnen Merkmale zwischen den Bildern basierend auf radiometrischen Eigenschaften zu. Daran schließt sich dann eine Rekonstruktion auf der Basis der Bildgeometrie an. Die Motivation für diese Arbeit ist die These, dass es möglich sein sollte, die Struktur einer Szene durch Gruppierung geometrischer Primitive zu rekonstruieren, falls die Eingabedaten genügend redundant sind. Orientierte projektive Geometrie wird in dieser Arbeit zur Repräsentation geometrischer Primitive, wie Punkten, Linien und Ebenen in 2D und 3D sowie projektiver Kameras, zusammen mit ihrer Unsicherheit verwendet. Der erste Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Verwendung unsicherer orientierter projektiver Geometrie, anstatt von unsicherer projektiver Geometrie, welche die Repräsentation von komplexeren zusammengesetzten Objekten, wie Liniensegmenten und Polygonen in 2D und 3D sowie 2D Edgels und 3D Facetten, ermöglicht. Innerhalb dieser unsicheren orientierten projektiven Repräsentation wird ein Verfahren zum Testen paarweiser Relationen zwischen den verschiedenen unsicheren orientierten projektiven geometrischen Elementen entwickelt. Dabei liegt die Neuheit wieder in der Möglichkeit, Relationen zwischen den neuen zusammengesetzten Elementen zu prüfen. Der zweite Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Datenstruktur, welche speziell auf die effiziente Prüfung von solchen Relationen zwischen vielen Elementen ausgelegt ist. Die Möglichkeit zur effizienten Prüfung von Relationen zwischen den geometrischen Elementen erlaubt nun die Entwicklung eines Systems zur Gruppierung dieser Elemente. Verschiedene Gruppierungsmethoden werden vorgestellt. Der dritte Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Gruppierungsmethode, die durch die Analyse der Änderung der Entropie beim Hinzufügen von Beobachtungen in die Schätzung Effizienz und Robustheit gegeneinander ausbalanciert und dadurch bessere Gruppierungsergebnisse erzielt. Zum Schluss wird die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Repräsentationen, Tests und Gruppierungsmethoden für die ausschließlich geometriebasierte Gebäuderekonstruktion aus orientierten Luftbildern demonstriert. Es wird gezeigt, dass unter der Annahme von hoch redundanten Datensätzen vernünftige Rekonstruktionsergebnisse durch Gruppierung von geometrischen Primitiven erzielbar sind