SplineCNN: Fast Geometric Deep Learning with Continuous B-Spline Kernels

We present Spline-based Convolutional Neural Networks (SplineCNNs), a variant of deep neural networks for irregular structured and geometric input, e.g., graphs or meshes. Our main contribution is a novel convolution operator based on B-splines, that makes the computation time independent from the kernel size due to the local support property of the B-spline basis functions. As a result, we obtain a generalization of the traditional CNN convolution operator by using continuous kernel functions parametrized by a fixed number of trainable weights. In contrast to related approaches that filter in the spectral domain, the proposed method aggregates features purely in the spatial domain. In addition, SplineCNN allows entire end-to-end training of deep architectures, using only the geometric structure as input, instead of handcrafted feature descriptors. For validation, we apply our method on tasks from the fields of image graph classification, shape correspondence and graph node classification, and show that it outperforms or pars state-of-the-art approaches while being significantly faster and having favorable properties like domain-independence.Comment: Presented at CVPR 201

Waterpixels

International audience— Many approaches for image segmentation rely on a 1 first low-level segmentation step, where an image is partitioned 2 into homogeneous regions with enforced regularity and adherence 3 to object boundaries. Methods to generate these superpixels have 4 gained substantial interest in the last few years, but only a few 5 have made it into applications in practice, in particular because 6 the requirements on the processing time are essential but are not 7 met by most of them. Here, we propose waterpixels as a general 8 strategy for generating superpixels which relies on the marker 9 controlled watershed transformation. We introduce a spatially 10 regularized gradient to achieve a tunable tradeoff between the 11 superpixel regularity and the adherence to object boundaries. 12 The complexity of the resulting methods is linear with respect 13 to the number of image pixels. We quantitatively evaluate our 14 approach on the Berkeley segmentation database and compare 15 it against the state-of-the-art

Uma abordagem de agrupamento baseada na técnica de divisão e conquista e floresta de caminhos ótimos

Orientador: Alexandre Xavier FalcãoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: O agrupamento de dados é um dos principais desafios em problemas de Ciência de Dados. Apesar do seu progresso científico em quase um século de existência, algoritmos de agrupamento ainda falham na identificação de grupos (clusters) naturalmente relacionados com a semântica do problema. Ademais, os avanços das tecnologias de aquisição, comunicação, e armazenamento de dados acrescentam desafios cruciais com o aumento considerável de dados, os quais não são tratados pela maioria das técnicas. Essas questões são endereçadas neste trabalho através da proposta de uma abordagem de divisão e conquista para uma técnica de agrupamento única em encontrar um grupo por domo da função de densidade de probabilidade dos dados --- o algoritmo de agrupamento por floresta de caminhos ótimos (OPF - Optimum-Path Forest). Nesta técnica, amostras são interpretadas como nós de um grafo cujos arcos conectam os $k$-vizinhos mais próximos no espaço de características. Os nós são ponderados pela sua densidade de probabilidade e um mapa de conexidade é maximizado de modo que cada máximo da função densidade de probabilidade se torna a raiz de uma árvore de caminhos ótimos (grupo). O melhor valor de $k$ é estimado por otimização em um intervalo de valores dependente da aplicação. O problema com este método é que um número alto de amostras torna o algoritmo inviável, devido ao espaço de memória necessário para armazenar o grafo e o tempo computacional para encontrar o melhor valor de $k$. Visto que as soluções existentes levam a resultados ineficazes, este trabalho revisita o problema através da proposta de uma abordagem de divisão e conquista com dois níveis. No primeiro nível, o conjunto de dados é dividido em subconjuntos (blocos) menores e as amostras pertencentes a cada bloco são agrupadas pelo algoritmo OPF. Em seguida, as amostras representativas de cada grupo (mais especificamente as raízes da floresta de caminhos ótimos) são levadas ao segundo nível, onde elas são agrupadas novamente. Finalmente, os rótulos de grupo obtidos no segundo nível são transferidos para todas as amostras do conjunto de dados através de seus representantes do primeiro nível. Nesta abordagem, todas as amostras, ou pelo menos muitas delas, podem ser usadas no processo de aprendizado não supervisionado, sem afetar a eficácia do agrupamento e, portanto, o procedimento é menos susceptível a perda de informação relevante ao agrupamento. Os resultados mostram agrupamentos satisfatórios em dois cenários, segmentação de imagem e agrupamento de dados arbitrários, tendo como base a comparação com abordagens populares. No primeiro cenário, a abordagem proposta atinge os melhores resultados em todas as bases de imagem testadas. No segundo cenário, os resultados são similares aos obtidos por uma versão otimizada do método original de agrupamento por floresta de caminhos ótimosAbstract: Data clustering is one of the main challenges when solving Data Science problems. Despite its progress over almost one century of research, clustering algorithms still fail in identifying groups naturally related to the semantics of the problem. Moreover, the advances in data acquisition, communication, and storage technologies add crucial challenges with a considerable data increase, which are not handled by most techniques. We address these issues by proposing a divide-and-conquer approach to a clustering technique, which is unique in finding one group per dome of the probability density function of the data --- the Optimum-Path Forest (OPF) clustering algorithm. In the OPF-clustering technique, samples are taken as nodes of a graph whose arcs connect the $k$-nearest neighbors in the feature space. The nodes are weighted by their probability density values and a connectivity map is maximized such that each maximum of the probability density function becomes the root of an optimum-path tree (cluster). The best value of $k$ is estimated by optimization within an application-specific interval of values. The problem with this method is that a high number of samples makes the algorithm prohibitive, due to the required memory space to store the graph and the computational time to obtain the clusters for the best value of $k$. Since the existing solutions lead to ineffective results, we decided to revisit the problem by proposing a two-level divide-and-conquer approach. At the first level, the dataset is divided into smaller subsets (blocks) and the samples belonging to each block are grouped by the OPF algorithm. Then, the representative samples (more specifically the roots of the optimum-path forest) are taken to a second level where they are clustered again. Finally, the group labels obtained in the second level are transferred to all samples of the dataset through their representatives of the first level. With this approach, we can use all samples, or at least many samples, in the unsupervised learning process without affecting the grouping performance and, therefore, the procedure is less likely to lose relevant grouping information. We show that our proposal can obtain satisfactory results in two scenarios, image segmentation and the general data clustering problem, in comparison with some popular baselines. In the first scenario, our technique achieves better results than the others in all tested image databases. In the second scenario, it obtains outcomes similar to an optimized version of the traditional OPF-clustering algorithmMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da ComputaçãoCAPE

강인한 대화형 영상 분할 알고리즘을 위한 시드 정보 확장 기법에 대한 연구

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2021. 2. 이경무.Segmentation of an area corresponding to a desired object in an image is essential to computer vision problems. This is because most algorithms are performed in semantic units when interpreting or analyzing images. However, segmenting the desired object from a given image is an ambiguous issue. The target object varies depending on user and purpose. To solve this problem, an interactive segmentation technique has been proposed. In this approach, segmentation was performed in the desired direction according to interaction with the user. In this case, seed information provided by the user plays an important role. If the seed provided by a user contain abundant information, the accuracy of segmentation increases. However, providing rich seed information places much burden on the users. Therefore, the main goal of the present study was to obtain satisfactory segmentation results using simple seed information. We primarily focused on converting the provided sparse seed information to a rich state so that accurate segmentation results can be derived. To this end, a minimum user input was taken and enriched it through various seed enrichment techniques. A total of three interactive segmentation techniques was proposed based on: (1) Seed Expansion, (2) Seed Generation, (3) Seed Attention. Our seed enriching type comprised expansion of area around a seed, generation of new seed in a new position, and attention to semantic information. First, in seed expansion, we expanded the scope of the seed. We integrated reliable pixels around the initial seed into the seed set through an expansion step composed of two stages. Through the extended seed covering a wider area than the initial seed, the seed's scarcity and imbalance problems was resolved. Next, in seed generation, we created a seed at a new point, but not around the seed. We trained the system by imitating the user behavior through providing a new seed point in the erroneous region. By learning the user's intention, our model could e ciently create a new seed point. The generated seed helped segmentation and could be used as additional information for weakly supervised learning. Finally, through seed attention, we put semantic information in the seed. Unlike the previous models, we integrated both the segmentation process and seed enrichment process. We reinforced the seed information by adding semantic information to the seed instead of spatial expansion. The seed information was enriched through mutual attention with feature maps generated during the segmentation process. The proposed models show superiority compared to the existing techniques through various experiments. To note, even with sparse seed information, our proposed seed enrichment technique gave by far more accurate segmentation results than the other existing methods.영상에서 원하는 물체 영역을 잘라내는 것은 컴퓨터 비전 문제에서 필수적인 요소이다. 영상을 해석하거나 분석할 때, 대부분의 알고리즘들이 의미론적인 단위 기반으로 동작하기 때문이다. 그러나 영상에서 물체 영역을 분할하는 것은 모호한 문제이다. 사용자와 목적에 따라 원하는 물체 영역이 달라지기 때문이다. 이를 해결하기 위해 사용자와의 교류를 통해 원하는 방향으로 영상 분할을 진행하는 대화형 영상 분할 기법이 사용된다. 여기서 사용자가 제공하는 시드 정보가 중요한 역할을 한다. 사용자의 의도를 담고 있는 시드 정보가 정확할수록 영상 분할의 정확도도 증가하게 된다. 그러나 풍부한 시드 정보를 제공하는 것은 사용자에게 많은 부담을 주게 된다. 그러므로 간단한 시드 정보를 사용하여 만족할만한 분할 결과를 얻는 것이 주요 목적이 된다. 우리는 제공된 희소한 시드 정보를 변환하는 작업에 초점을 두었다. 만약 시드 정보가 풍부하게 변환된다면 정확한 영상 분할 결과를 얻을 수 있기 때문이다. 그러므로 본 학위 논문에서는 시드 정보를 풍부하게 하는 기법들을 제안한다. 최소한의 사용자 입력을 가정하고 이를 다양한 시드 확장 기법을 통해 변환한다. 우리는 시드 확대, 시드 생성, 시드 주의 집중에 기반한 총 세 가지의 대화형 영상 분할 기법을 제안한다. 각각 시드 주변으로의 영역 확대, 새로운 지점에 시드 생성, 의미론적 정보에 주목하는 형태의 시드 확장 기법을 사용한다. 먼저 시드 확대에 기반한 기법에서 우리는 시드의 영역 확장을 목표로 한다. 두 단계로 구성된 확대 과정을 통해 처음 시드 주변의 비슷한 픽셀들을 시드 영역으로 편입한다. 이렇게 확장된 시드를 사용함으로써 시드의 희소함과 불균형으로 인한 문제를 해결할 수 있다. 다음으로 시드 생성에 기반한 기법에서 우리는 시드 주변이 아닌 새로운 지점에 시드를 생성한다. 우리는 오차가 발생한 영역에 사용자가 새로운 시드를 제공하는 동작을 모방하여 시스템을 학습하였다. 사용자의 의도를 학습함으로써 효과적으로 시드를 생성할 수 있다. 생성된 시드는 영상 분할의 정확도를 높일 뿐만 아니라 약지도학습을 위한 데이터로써 활용될 수 있다. 마지막으로 시드 주의 집중을 활용한 기법에서 우리는 의미론적 정보를 시드에 담는다. 기존에 제안한 기법들과 달리 영상 분할 동작과 시드 확장 동작이 통합된 모델을 제안한다. 시드 정보는 영상 분할 네트워크의 특징맵과 상호 교류하며 그 정보가 풍부해진다. 제안한 모델들은 다양한 실험을 통해 기존 기법 대비 우수한 성능을 기록하였다. 특히 시드가 부족한 상황에서 시드 확장 기법들은 훌륭한 대화형 영상 분할 성능을 보였다.1 Introduction 1 1.1 Previous Works 2 1.2 Proposed Methods 4 2 Interactive Segmentation with Seed Expansion 9 2.1 Introduction 9 2.2 Proposed Method 12 2.2.1 Background 13 2.2.2 Pyramidal RWR 16 2.2.3 Seed Expansion 19 2.2.4 Re nement with Global Information 24 2.3 Experiments 27 2.3.1 Dataset 27 2.3.2 Implement Details 28 2.3.3 Performance 29 2.3.4 Contribution of Each Part 30 2.3.5 Seed Consistency 31 2.3.6 Running Time 33 2.4 Summary 34 3 Interactive Segmentation with Seed Generation 37 3.1 Introduction 37 3.2 Related Works 40 3.3 Proposed Method 41 3.3.1 System Overview 41 3.3.2 Markov Decision Process 42 3.3.3 Deep Q-Network 46 3.3.4 Model Architecture 47 3.4 Experiments 48 3.4.1 Implement Details 48 3.4.2 Performance 49 3.4.3 Ablation Study 53 3.4.4 Other Datasets 55 3.5 Summary 58 4 Interactive Segmentation with Seed Attention 61 4.1 Introduction 61 4.2 Related Works 64 4.3 Proposed Method 65 4.3.1 Interactive Segmentation Network 65 4.3.2 Bi-directional Seed Attention Module 67 4.4 Experiments 70 4.4.1 Datasets 70 4.4.2 Metrics 70 4.4.3 Implement Details 71 4.4.4 Performance 71 4.4.5 Ablation Study 76 4.4.6 Seed enrichment methods 79 4.5 Summary 82 5 Conclusions 87 5.1 Summary 89 Bibliography 90 국문초록 103Docto

Advanced Visual Computing for Image Saliency Detection

Saliency detection is a category of computer vision algorithms that aims to filter out the most salient object in a given image. Existing saliency detection methods can generally be categorized as bottom-up methods and top-down methods, and the prevalent deep neural network (DNN) has begun to show its applications in saliency detection in recent years. However, the challenges in existing methods, such as problematic pre-assumption, inefficient feature integration and absence of high-level feature learning, prevent them from superior performances. In this thesis, to address the limitations above, we have proposed multiple novel models with favorable performances. Specifically, we first systematically reviewed the developments of saliency detection and its related works, and then proposed four new methods, with two based on low-level image features, and two based on DNNs. The regularized random walks ranking method (RR) and its reversion-correction-improved version (RCRR) are based on conventional low-level image features, which exhibit higher accuracy and robustness in extracting the image boundary based foreground / background queries; while the background search and foreground estimation (BSFE) and dense and sparse labeling (DSL) methods are based on DNNs, which have shown their dominant advantages in high-level image feature extraction, as well as the combined strength of multi-dimensional features. Each of the proposed methods is evaluated by extensive experiments, and all of them behave favorably against the state-of-the-art, especially the DSL method, which achieves remarkably higher performance against sixteen state-of-the-art methods (including ten conventional methods and six learning based methods) on six well-recognized public datasets. The successes of our proposed methods reveal more potential and meaningful applications of saliency detection in real-life computer vision tasks

Análise visual aplicada à análise de imagens

Orientadores: Alexandre Xavier Falcão, Alexandru Cristian Telea, Pedro Jussieu de Rezende, Johannes Bernardus Theodorus Maria RoerdinkTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação e Universidade de GroningenResumo: Análise de imagens é o campo de pesquisa preocupado com a extração de informações a partir de imagens. Esse campo é bastante importante para aplicações científicas e comerciais. O objetivo principal do trabalho apresentado nesta tese é permitir interatividade com o usuário durante várias tarefas relacionadas à análise de imagens: segmentação, seleção de atributos, e classificação. Neste contexto, permitir interatividade com o usuário significa prover mecanismos que tornem possível que humanos auxiliem computadores em tarefas que são de difícil automação. Com respeito à segmentação de imagens, propomos uma nova técnica interativa que combina superpixels com a transformada imagem-floresta. A vantagem principal dessa técnica é permitir rápida segmentação interativa de imagens grandes, além de permitir extração de características potencialmente mais ricas. Os experimentos sugerem que nossa técnica é tão eficaz quanto a alternativa baseada em pixels. No contexto de seleção de atributos e classificação, propomos um novo sistema de visualização interativa que combina exploração do espaço de atributos (baseada em redução de dimensionalidade) com avaliação automática de atributos. Esse sistema tem como objetivo revelar informações que levem ao desenvolvimento de conjuntos de atributos eficazes para classificação de imagens. O mesmo sistema também pode ser aplicado para seleção de atributos para segmentação de imagens e para classificação de padrões, apesar dessas tarefas não serem nosso foco. Apresentamos casos de uso que mostram como esse sistema pode prover certos tipos de informação qualitativa sobre sistemas de classificação de imagens que seriam difíceis de obter por outros métodos. Também mostramos como o sistema interativo proposto pode ser adaptado para a exploração de resultados computacionais intermediários de redes neurais artificiais. Essas redes atualmente alcançam resultados no estado da arte em muitas aplicações de classificação de imagens. Através de casos de uso envolvendo conjuntos de dados de referência, mostramos que nosso sistema pode prover informações sobre como uma rede opera que levam a melhorias em sistemas de classificação. Já que os parâmetros de uma rede neural artificial são tipicamente adaptados iterativamente, a visualização de seus resultados intermediários pode ser vista como uma tarefa dependente de tempo. Com base nessa perspectiva, propomos uma nova técnica de redução de dimensionalidade dependente de tempo que permite a redução de mudanças desnecessárias nos resultados causadas por pequenas mudanças nos dados. Experimentos preliminares mostram que essa técnica é eficaz em manter a coerência temporal desejadaAbstract: We define image analysis as the field of study concerned with extracting information from images. This field is immensely important for commercial and interdisciplinary applications. The overarching goal behind the work presented in this thesis is enabling user interaction during several tasks related to image analysis: image segmentation, feature selection, and image classification. In this context, enabling user interaction refers to providing mechanisms that allow humans to assist machines in tasks that are difficult to automate. Such tasks are very common in image analysis. Concerning image segmentation, we propose a new interactive technique that combines superpixels with the image foresting transform. The main advantage of our proposed technique is enabling faster interactive segmentation of large images, although it also enables potentially richer feature extraction. Our experiments show that our technique is at least as effective as its pixel-based counterpart. In the context of feature selection and image classification, we propose a new interactive visualization system that combines feature space exploration (based on dimensionality reduction) with automatic feature scoring. This visualization system aims to provide insights that lead to the development of effective feature sets for image classification. The same system can also be applied to select features for image segmentation and (general) pattern classification, although these tasks are not our focus. We present use cases that show how this system may provide a kind of qualitative feedback about image classification systems that would be very difficult to obtain by other (non-visual) means. We also show how our proposed interactive visualization system can be adapted to explore intermediary computational results of artificial neural networks. Such networks currently achieve state-of-the-art results in many image classification applications. Through use cases involving traditional benchmark datasets, we show that our system may enable insights about how a network operates that lead to improvements along the classification pipeline. Because the parameters of an artificial neural network are typically adapted iteratively, visualizing its intermediary computational results can be seen as a time-dependent task. Motivated by this, we propose a new time-dependent dimensionality reduction technique that enables the reduction of apparently unnecessary changes in results due to small changes in the data (temporal coherence). Preliminary experiments show that this technique is effective in enforcing temporal coherenceDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da Computação2012/24121-9;FAPESPCAPE