Disparate View Matching

Matching of disparate views has gained significance in computer vision due to its role in many novel application areas. Being able to match images of the same scene captured during day and night, between a historic and contemporary picture of a scene, and between aerial and ground-level views of a building facade all enable novel applications ranging from loop-closure detection for structure-from-motion and re-photography to geo-localization of a street-level image using reference imagery captured from the air. The goal of this work is to develop novel features and methods that address matching problems where direct appearance-based correspondences are either difficult to obtain or infeasible because of the lack of appearance similarity altogether. To address these problems, we propose methods that span the appearance-geometry spectrum in terms of both the use of these cues as well as the ability of each method to handle variations in appearance and geometry. First, we consider the problem of geo-localization of a query street-level image using a reference database of building facades captured from a bird\u27s eye view. To address this wide-baseline facade matching problem, a novel scale-selective self-similarity feature that avoids direct comparison of appearance between disparate facade images is presented. Next, to address image matching problems with more extreme appearance variation, a novel representation for matchable images expressed in terms of the eigen-functions of the joint graph of the two images is presented. This representation is used to derive features that are persistent across wide variations in appearance. Next, the problem setting of matching between a street-level image and a digital elevation map (DEM) is considered. Given the limited appearance information available in this scenario, the matching approach has to rely more significantly on geometric cues. Therefore, a purely geometric method to establish correspondences between building corners in the DEM and the visible corners in the query image is presented. Finally, to generalize this problem setting we address the problem of establishing correspondences between 3D and 2D point clouds using geometric means alone. A novel framework for incorporating purely geometric constraints into a higher-order graph matching framework is presented with specific formulations for the three-point calibrated absolute camera pose problem (P3P), two-point upright camera pose problem (Up2p) and the three-plus-one relative camera pose problem

Text detection and recognition in natural images using computer vision techniques

El reconocimiento de texto en imágenes reales ha centrado la atención de muchos investigadores en todo el mundo en los últimos años. El motivo es el incremento de productos de bajo coste como teléfonos móviles o Tablet PCs que incorporan dispositivos de captura de imágenes y altas capacidades de procesamiento. Con estos antecedentes, esta tesis presenta un método robusto para detectar, localizar y reconocer texto horizontal en imágenes diurnas tomadas en escenarios reales. El reto es complejo dada la enorme variabilidad de los textos existentes y de las condiciones de captura en entornos reales. Inicialmente se presenta una revisión de los principales trabajos de los últimos años en el campo del reconocimiento de texto en imágenes naturales. Seguidamente, se lleva a cabo un estudio de las características más adecuadas para describir texto respecto de objetos no correspondientes con texto. Típicamente, un sistema de reconocimiento de texto en imágenes está formado por dos grandes etapas. La primera consiste en detectar si existe texto en la imagen y de localizarlo con la mayor precisión posible, minimizando la cantidad de texto no detectado así como el número de falsos positivos. La segunda etapa consiste en reconocer el texto extraído. El método de detección aquí propuesto está basado en análisis de componentes conexos tras aplicar una segmentación que combina un método global como MSER con un método local, de forma que se mejoran las propuestas del estado del arte al segmentar texto incluso en situaciones complejas como imágenes borrosas o de muy baja resolución. El proceso de análisis de los componentes conexos extraídos se optimiza mediante algoritmos genéticos. Al contrario que otros sistemas, nosotros proponemos un método recursivo que permite restaurar aquellos objetos correspondientes con texto y que inicialmente son erróneamente descartados. De esta forma, se consigue mejorar en gran medida la fiabilidad de la detección. Aunque el método propuesto está basado en análisis de componentes conexos, en esta tesis se utiliza también la idea de los métodos basados en texturas para validar las áreas de texto detectadas. Por otro lado, nuestro método para reconocer texto se basa en identificar cada caracter y aplicar posteriormente un modelo de lenguaje para corregir las palabras mal reconocidas, al restringir la solución a un diccionario que contiene el conjunto de posibles términos. Se propone una nueva característica para reconocer los caracteres, a la que hemos dado el nombre de Direction Histogram (DH). Se basa en calcular el histograma de las direcciones del gradiente en los pixeles de borde. Esta característica se compara con otras del estado del arte y los resultados experimentales obtenidos sobre una base de datos compleja muestran que nuestra propuesta es adecuada ya que supera otros trabajos del estado del arte. Presentamos también un método de clasificación borrosa de letras basado en KNN, el cual permite separar caracteres erróneamente conectados durante la etapa de segmentación. El método de reconocimiento de texto propuesto no es solo capaz de reconocer palabras, sino también números y signos de puntuación. El reconocimiento de palabras se lleva a cabo mediante un modelo de lenguaje basado en inferencia probabilística y el British National Corpus, un completo diccionario del inglés británico moderno, si bien el algoritmo puede ser fácilmente adaptado para ser usado con cualquier otro diccionario. El modelo de lenguaje utiliza una modificación del algoritmo forward usando en Modelos Ocultos de Markov. Para comprobar el rendimiento del sistema propuesto, se han obtenido resultados experimentales con distintas bases de datos, las cuales incluyen imágenes en diferentes escenarios y situaciones. Estas bases de datos han sido usadas como banco de pruebas en la última década por la mayoría de investigadores en el área de reconocimiento de texto en imágenes naturales. Los resultados muestran que el sistema propuesto logra un rendimiento similar al del estado del arte en términos de localización, mientras que lo supera en términos de reconocimiento. Con objeto de mostrar la aplicabilidad del método propuesto en esta tesis, se presenta también un sistema de detección y reconocimiento de la información contenida en paneles de tráfico basado en el algoritmo desarrollado. El objetivo de esta aplicación es la creación automática de inventarios de paneles de tráfico de países o regiones que faciliten el mantenimiento de la señalización vertical de las carreteras, usando imágenes disponibles en el servicio Street View de Google. Se ha creado una base de datos para esta aplicación. Proponemos modelar los paneles de tráfico usando apariencia visual en lugar de las clásicas soluciones que utilizan bordes o características geométricas, con objeto de detectar aquellas imágenes en las que existen paneles de tráfico. Los resultados experimentales muestran la viabilidad del sistema propuesto

Text detection and recognition in natural images using computer vision techniques

El reconocimiento de texto en imágenes reales ha centrado la atención de muchos investigadores en todo el mundo en los últimos años. El motivo es el incremento de productos de bajo coste como teléfonos móviles o Tablet PCs que incorporan dispositivos de captura de imágenes y altas capacidades de procesamiento. Con estos antecedentes, esta tesis presenta un método robusto para detectar, localizar y reconocer texto horizontal en imágenes diurnas tomadas en escenarios reales. El reto es complejo dada la enorme variabilidad de los textos existentes y de las condiciones de captura en entornos reales. Inicialmente se presenta una revisión de los principales trabajos de los últimos años en el campo del reconocimiento de texto en imágenes naturales. Seguidamente, se lleva a cabo un estudio de las características más adecuadas para describir texto respecto de objetos no correspondientes con texto. Típicamente, un sistema de reconocimiento de texto en imágenes está formado por dos grandes etapas. La primera consiste en detectar si existe texto en la imagen y de localizarlo con la mayor precisión posible, minimizando la cantidad de texto no detectado así como el número de falsos positivos. La segunda etapa consiste en reconocer el texto extraído. El método de detección aquí propuesto está basado en análisis de componentes conexos tras aplicar una segmentación que combina un método global como MSER con un método local, de forma que se mejoran las propuestas del estado del arte al segmentar texto incluso en situaciones complejas como imágenes borrosas o de muy baja resolución. El proceso de análisis de los componentes conexos extraídos se optimiza mediante algoritmos genéticos. Al contrario que otros sistemas, nosotros proponemos un método recursivo que permite restaurar aquellos objetos correspondientes con texto y que inicialmente son erróneamente descartados. De esta forma, se consigue mejorar en gran medida la fiabilidad de la detección. Aunque el método propuesto está basado en análisis de componentes conexos, en esta tesis se utiliza también la idea de los métodos basados en texturas para validar las áreas de texto detectadas. Por otro lado, nuestro método para reconocer texto se basa en identificar cada caracter y aplicar posteriormente un modelo de lenguaje para corregir las palabras mal reconocidas, al restringir la solución a un diccionario que contiene el conjunto de posibles términos. Se propone una nueva característica para reconocer los caracteres, a la que hemos dado el nombre de Direction Histogram (DH). Se basa en calcular el histograma de las direcciones del gradiente en los pixeles de borde. Esta característica se compara con otras del estado del arte y los resultados experimentales obtenidos sobre una base de datos compleja muestran que nuestra propuesta es adecuada ya que supera otros trabajos del estado del arte. Presentamos también un método de clasificación borrosa de letras basado en KNN, el cual permite separar caracteres erróneamente conectados durante la etapa de segmentación. El método de reconocimiento de texto propuesto no es solo capaz de reconocer palabras, sino también números y signos de puntuación. El reconocimiento de palabras se lleva a cabo mediante un modelo de lenguaje basado en inferencia probabilística y el British National Corpus, un completo diccionario del inglés británico moderno, si bien el algoritmo puede ser fácilmente adaptado para ser usado con cualquier otro diccionario. El modelo de lenguaje utiliza una modificación del algoritmo forward usando en Modelos Ocultos de Markov. Para comprobar el rendimiento del sistema propuesto, se han obtenido resultados experimentales con distintas bases de datos, las cuales incluyen imágenes en diferentes escenarios y situaciones. Estas bases de datos han sido usadas como banco de pruebas en la última década por la mayoría de investigadores en el área de reconocimiento de texto en imágenes naturales. Los resultados muestran que el sistema propuesto logra un rendimiento similar al del estado del arte en términos de localización, mientras que lo supera en términos de reconocimiento. Con objeto de mostrar la aplicabilidad del método propuesto en esta tesis, se presenta también un sistema de detección y reconocimiento de la información contenida en paneles de tráfico basado en el algoritmo desarrollado. El objetivo de esta aplicación es la creación automática de inventarios de paneles de tráfico de países o regiones que faciliten el mantenimiento de la señalización vertical de las carreteras, usando imágenes disponibles en el servicio Street View de Google. Se ha creado una base de datos para esta aplicación. Proponemos modelar los paneles de tráfico usando apariencia visual en lugar de las clásicas soluciones que utilizan bordes o características geométricas, con objeto de detectar aquellas imágenes en las que existen paneles de tráfico. Los resultados experimentales muestran la viabilidad del sistema propuesto

Object Detection in 20 Years: A Survey

Object detection, as of one the most fundamental and challenging problems in computer vision, has received great attention in recent years. Its development in the past two decades can be regarded as an epitome of computer vision history. If we think of today's object detection as a technical aesthetics under the power of deep learning, then turning back the clock 20 years we would witness the wisdom of cold weapon era. This paper extensively reviews 400+ papers of object detection in the light of its technical evolution, spanning over a quarter-century's time (from the 1990s to 2019). A number of topics have been covered in this paper, including the milestone detectors in history, detection datasets, metrics, fundamental building blocks of the detection system, speed up techniques, and the recent state of the art detection methods. This paper also reviews some important detection applications, such as pedestrian detection, face detection, text detection, etc, and makes an in-deep analysis of their challenges as well as technical improvements in recent years.Comment: This work has been submitted to the IEEE TPAMI for possible publicatio

Topological place recognition for life-long visual localization

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2016-2017La navegación de vehículos inteligentes o robots móviles en períodos largos de tiempo ha experimentado un gran interés por parte de la comunidad investigadora en los últimos años. Los sistemas basados en cámaras se han extendido ampliamente en el pasado reciente gracias a las mejoras en sus características, precio y reducción de tamaño, añadidos a los progresos en técnicas de visión artificial. Por ello, la localización basada en visión es una aspecto clave para desarrollar una navegación autónoma robusta en situaciones a largo plazo. Teniendo en cuenta esto, la identificación de localizaciones por medio de técnicas de reconocimiento de lugar topológicas puede ser complementaria a otros enfoques como son las soluciones basadas en el Global Positioning System (GPS), o incluso suplementaria cuando la señal GPS no está disponible.El estado del arte en reconocimiento de lugar topológico ha mostrado un funcionamiento satisfactorio en el corto plazo. Sin embargo, la localización visual a largo plazo es problemática debido a los grandes cambios de apariencia que un lugar sufre como consecuencia de elementos dinámicos, la iluminación o la climatología, entre otros. El objetivo de esta tesis es enfrentarse a las dificultades de llevar a cabo una localización topológica eficiente y robusta a lo largo del tiempo. En consecuencia, se van a contribuir dos nuevos enfoques basados en reconocimiento visual de lugar para resolver los diferentes problemas asociados a una localización visual a largo plazo. Por un lado, un método de reconocimiento de lugar visual basado en descriptores binarios es propuesto. La innovación de este enfoque reside en la descripción global de secuencias de imágenes como códigos binarios, que son extraídos mediante un descriptor basado en la técnica denominada Local Difference Binary (LDB). Los descriptores son eficientemente asociados usando la distancia de Hamming y un método de búsqueda conocido como Approximate Nearest Neighbors (ANN). Además, una técnica de iluminación invariante es aplicada para mejorar el funcionamiento en condiciones luminosas cambiantes. El empleo de la descripción binaria previamente introducida proporciona una reducción de los costes computacionales y de memoria.Por otro lado, también se presenta un método de reconocimiento de lugar visual basado en deep learning, en el cual los descriptores aplicados son procesados por una Convolutional Neural Network (CNN). Este es un concepto recientemente popularizado en visión artificial que ha obtenido resultados impresionantes en problemas de clasificación de imagen. La novedad de nuestro enfoque reside en la fusión de la información de imagen de múltiples capas convolucionales a varios niveles y granularidades. Además, los datos redundantes de los descriptores basados en CNNs son comprimidos en un número reducido de bits para una localización más eficiente. El descriptor final es condensado aplicando técnicas de compresión y binarización para realizar una asociación usando de nuevo la distancia de Hamming. En términos generales, los métodos centrados en CNNs mejoran la precisión generando representaciones visuales de las localizaciones más detalladas, pero son más costosos en términos de computación.Ambos enfoques de reconocimiento de lugar visual son extensamente evaluados sobre varios datasets públicos. Estas pruebas arrojan una precisión satisfactoria en situaciones a largo plazo, como es corroborado por los resultados mostrados, que comparan nuestros métodos contra los principales algoritmos del estado del arte, mostrando mejores resultados para todos los casos.Además, también se ha analizado la aplicabilidad de nuestro reconocimiento de lugar topológico en diferentes problemas de localización. Estas aplicaciones incluyen la detección de cierres de lazo basada en los lugares reconocidos o la corrección de la deriva acumulada en odometría visual usando la información proporcionada por los cierres de lazo. Asimismo, también se consideran las aplicaciones de la detección de cambios geométricos a lo largo de las estaciones del año, que son esenciales para las actualizaciones de los mapas en sistemas de conducción autónomos centrados en una operación a largo plazo. Todas estas contribuciones son discutidas al final de la tesis, incluyendo varias conclusiones sobre el trabajo presentado y líneas de investigación futuras

Large Scale Pattern Detection in Videos and Images from the Wild

PhDPattern detection is a well-studied area of computer vision, but still current methods are unstable in images of poor quality. This thesis describes improvements over contemporary methods in the fast detection of unseen patterns in a large corpus of videos that vary tremendously in colour and texture definition, captured “in the wild” by mobile devices and surveillance cameras. We focus on three key areas of this broad subject; First, we identify consistency weaknesses in existing techniques of processing an image and it’s horizontally reflected (mirror) image. This is important in police investigations where subjects change their appearance to try to avoid recognition, and we propose that invariance to horizontal reflection should be more widely considered in image description and recognition tasks too. We observe online Deep Learning system behaviours in this respect, and provide a comprehensive assessment of 10 popular low level feature detectors. Second, we develop simple and fast algorithms that combine to provide memory- and processing-efficient feature matching. These involve static scene elimination in the presence of noise and on-screen time indicators, a blur-sensitive feature detection that finds a greater number of corresponding features in images of varying sharpness, and a combinatorial texture and colour feature matching algorithm that matches features when either attribute may be poorly defined. A comprehensive evaluation is given, showing some improvements over existing feature correspondence methods. Finally, we study random decision forests for pattern detection. A new method of indexing patterns in video sequences is devised and evaluated. We automatically label positive and negative image training data, reducing a task of unsupervised learning to one of supervised learning, and devise a node split function that is invariant to mirror reflection and rotation through 90 degree angles. A high dimensional vote accumulator encodes the hypothesis support, yielding implicit back-projection for pattern detection.European Union’s Seventh Framework Programme, specific topic “framework and tools for (semi-) automated exploitation of massive amounts of digital data for forensic purposes”, under grant agreement number 607480 (LASIE IP project)

Near Data Processing for Efficient and Trusted Systems

We live in a world which constantly produces data at a rate which only increases with time. Conventional processor architectures fail to process this abundant data in an efficient manner as they expend significant energy in instruction processing and moving data over deep memory hierarchies. Furthermore, to process large amounts of data in a cost effective manner, there is increased demand for remote computation. While cloud service providers have come up with innovative solutions to cater to this increased demand, the security concerns users feel for their data remains a strong impediment to their wide scale adoption. An exciting technique in our repertoire to deal with these challenges is near-data processing. Near-data processing (NDP) is a data-centric paradigm which moves computation to where data resides. This dissertation exploits NDP to both process the data deluge we face efficiently and design low-overhead secure hardware designs. To this end, we first propose Compute Caches, a novel NDP technique. Simple augmentations to underlying SRAM design enable caches to perform commonly used operations. In-place computation in caches not only avoids excessive data movement over memory hierarchy, but also significantly reduces instruction processing energy as independent sub-units inside caches perform computation in parallel. Compute Caches significantly improve the performance and reduce energy expended for a suite of data intensive applications. Second, this dissertation identifies security advantages of NDP. While memory bus side channel has received much attention, a low-overhead hardware design which defends against it remains elusive. We observe that smart memory, memory with compute capability, can dramatically simplify this problem. To exploit this observation, we propose InvisiMem which uses the logic layer in the smart memory to implement cryptographic primitives, which aid in addressing memory bus side channel efficiently. Our solutions obviate the need for expensive constructs like Oblivious RAM (ORAM) and Merkle trees, and have one to two orders of magnitude lower overheads for performance, space, energy, and memory bandwidth, compared to prior solutions. This dissertation also addresses a related vulnerability of page fault side channel in which the Operating System (OS) induces page faults to learn application's address trace and deduces application secrets from it. To tackle it, we propose Sanctuary which obfuscates page fault channel while allowing the OS to manage memory as a resource. To do so, we design a novel construct, Oblivious Page Management (OPAM) which is derived from ORAM but is customized for page management context. We employ near-memory page moves to reduce OPAM overhead and also propose a novel memory partition to reduce OPAM transactions required. For a suite of cloud applications which process sensitive data we show that page fault channel can be tackled at reasonable overheads.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/144139/1/shaizeen_1.pd

Target classification in multimodal video

The presented thesis focuses on enhancing scene segmentation and target recognition methodologies via the mobilisation of contextual information. The algorithms developed to achieve this goal utilise multi-modal sensor information collected across varying scenarios, from controlled indoor sequences to challenging rural locations. Sensors are chiefly colour band and long wave infrared (LWIR), enabling persistent surveillance capabilities across all environments. In the drive to develop effectual algorithms towards the outlined goals, key obstacles are identified and examined: the recovery of background scene structure from foreground object ’clutter’, employing contextual foreground knowledge to circumvent training a classifier when labeled data is not readily available, creating a labeled LWIR dataset to train a convolutional neural network (CNN) based object classifier and the viability of spatial context to address long range target classification when big data solutions are not enough. For an environment displaying frequent foreground clutter, such as a busy train station, we propose an algorithm exploiting foreground object presence to segment underlying scene structure that is not often visible. If such a location is outdoors and surveyed by an infra-red (IR) and visible band camera set-up, scene context and contextual knowledge transfer allows reasonable class predictions for thermal signatures within the scene to be determined. Furthermore, a labeled LWIR image corpus is created to train an infrared object classifier, using a CNN approach. The trained network demonstrates effective classification accuracy of 95% over 6 object classes. However, performance is not sustainable for IR targets acquired at long range due to low signal quality and classification accuracy drops. This is addressed by mobilising spatial context to affect network class scores, restoring robust classification capability