Symmetries and invariances in classical physics

Symmetry, intended as invariance with respect to a transformation (more precisely, with respect to a transformation group), has acquired more and more importance in modern physics. This Chapter explores in 8 Sections the meaning, application and interpretation of symmetry in classical physics. This is done both in general, and with attention to specific topics. The general topics include illustration of the distinctions between symmetries of objects and of laws, and between symmetry principles and symmetry arguments (such as Curie's principle), and reviewing the meaning and various types of symmetry that may be found in classical physics, along with different interpretative strategies that may be adopted. Specific topics discussed include the historical path by which group theory entered classical physics, transformation theory in classical mechanics, the relativity principle in Einstein's Special Theory of Relativity, general covariance in his General Theory of Relativity, and Noether's theorems. In bringing these diverse materials together in a single Chapter, we display the pervasive and powerful influence of symmetry in classical physics, and offer a possible framework for the further philosophical investigation of this topic

Geometric uncertainty models for correspondence problems in digital image processing

Many recent advances in technology rely heavily on the correct interpretation of an enormous amount of visual information. All available sources of visual data (e.g. cameras in surveillance networks, smartphones, game consoles) must be adequately processed to retrieve the most interesting user information. Therefore, computer vision and image processing techniques gain significant interest at the moment, and will do so in the near future. Most commonly applied image processing algorithms require a reliable solution for correspondence problems. The solution involves, first, the localization of corresponding points -visualizing the same 3D point in the observed scene- in the different images of distinct sources, and second, the computation of consistent geometric transformations relating correspondences on scene objects. This PhD presents a theoretical framework for solving correspondence problems with geometric features (such as points and straight lines) representing rigid objects in image sequences of complex scenes with static and dynamic cameras. The research focuses on localization uncertainty due to errors in feature detection and measurement, and its effect on each step in the solution of a correspondence problem. Whereas most other recent methods apply statistical-based models for spatial localization uncertainty, this work considers a novel geometric approach. Localization uncertainty is modeled as a convex polygonal region in the image space. This model can be efficiently propagated throughout the correspondence finding procedure. It allows for an easy extension toward transformation uncertainty models, and to infer confidence measures to verify the reliability of the outcome in the correspondence framework. Our procedure aims at finding reliable consistent transformations in sets of few and ill-localized features, possibly containing a large fraction of false candidate correspondences. The evaluation of the proposed procedure in practical correspondence problems shows that correct consistent correspondence sets are returned in over 95% of the experiments for small sets of 10-40 features contaminated with up to 400% of false positives and 40% of false negatives. The presented techniques prove to be beneficial in typical image processing applications, such as image registration and rigid object tracking

Automatic visual recognition using parallel machines

Invariant features and quick matching algorithms are two major concerns in the area of automatic visual recognition. The former reduces the size of an established model database, and the latter shortens the computation time. This dissertation, will discussed both line invariants under perspective projection and parallel implementation of a dynamic programming technique for shape recognition. The feasibility of using parallel machines can be demonstrated through the dramatically reduced time complexity. In this dissertation, our algorithms are implemented on the AP1000 MIMD parallel machines. For processing an object with a features, the time complexity of the proposed parallel algorithm is O(n), while that of a uniprocessor is O(n2). The two applications, one for shape matching and the other for chain-code extraction, are used in order to demonstrate the usefulness of our methods. Invariants from four general lines under perspective projection are also discussed in here. In contrast to the approach which uses the epipolar geometry, we investigate the invariants under isotropy subgroups. Theoretically speaking, two independent invariants can be found for four general lines in 3D space. In practice, we show how to obtain these two invariants from the projective images of four general lines without the need of camera calibration. A projective invariant recognition system based on a hypothesis-generation-testing scheme is run on the hypercube parallel architecture. Object recognition is achieved by matching the scene projective invariants to the model projective invariants, called transfer. Then a hypothesis-generation-testing scheme is implemented on the hypercube parallel architecture

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

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. It 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

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multi-camera systems are being deployed in a variety of vehicles and mobile robots today. To eliminate the need for cost and labor intensive maintenance and calibration, continuous self-calibration is highly desirable. In this book we present such an approach for self-calibration of multi-Camera systems for vehicle surround sensing. In an extensive evaluation we assess our algorithm quantitatively using real-world data

Two-dimensional quantum antiferromagnets

This review presents some theoretical advances in the field of quantum magnetism in two-dimensional systems, and quantum spin liquids in particular. It is to be published as a chapter in the second edition of the book "Frustrated spin systems", edited by H. T. Diep (World-Scientific). The section (Sec. 7) devoted to the kagome antiferromagnet has been completely rewritten/updated, as well as the concluding section (Sec. 8). The other sections (Secs. 1-6) are unchanged from the first edition of the book (published in 2005)Comment: 87 pages. 396 references. To be published as a chapter in the second edition of the book "Frustrated spin systems", edited by H. T. Diep (World-Scientific

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multikamerasysteme werden heute bereits in einer Vielzahl von Fahrzeugen und mobilen Robotern eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von einfachen Assistenzfunktionen wie der Erzeugung einer virtuellen Rundumsicht bis hin zur Umfelderfassung, wie sie für teil- und vollautomatisches Fahren benötigt wird. Damit aus den Kamerabildern metrische Größen wie Distanzen und Winkel abgeleitet werden können und ein konsistentes Umfeldmodell aufgebaut werden kann, muss das Abbildungsverhalten der einzelnen Kameras sowie deren relative Lage zueinander bekannt sein. Insbesondere die Bestimmung der relativen Lage der Kameras zueinander, die durch die extrinsische Kalibrierung beschrieben wird, ist aufwendig, da sie nur im Gesamtverbund erfolgen kann. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass es über die Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg zu nicht vernachlässigbaren Veränderungen durch äußere Einflüsse kommt. Um den hohen Zeit- und Kostenaufwand einer regelmäßigen Wartung zu vermeiden, ist ein Selbstkalibrierungsverfahren erforderlich, das die extrinsischen Kalibrierparameter fortlaufend nachschätzt. Für die Selbstkalibrierung wird typischerweise das Vorhandensein überlappender Sichtbereiche ausgenutzt, um die extrinsische Kalibrierung auf der Basis von Bildkorrespondenzen zu schätzen. Falls die Sichtbereiche mehrerer Kameras jedoch nicht überlappen, lassen sich die Kalibrierparameter auch aus den relativen Bewegungen ableiten, die die einzelnen Kameras beobachten. Die Bewegung typischer Straßenfahrzeuge lässt dabei jedoch nicht die Bestimmung aller Kalibrierparameter zu. Um die vollständige Schätzung der Parameter zu ermöglichen, lassen sich weitere Bedingungsgleichungen, die sich z.B. aus der Beobachtung der Bodenebene ergeben, einbinden. In dieser Arbeit wird dazu in einer theoretischen Analyse gezeigt, welche Parameter sich aus der Kombination verschiedener Bedingungsgleichungen eindeutig bestimmen lassen. Um das Umfeld eines Fahrzeugs vollständig erfassen zu können, werden typischerweise Objektive, wie zum Beispiel Fischaugenobjektive, eingesetzt, die einen sehr großen Bildwinkel ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung von Bildkorrespondenzen vorgeschlagen, das die geometrischen Verzerrungen, die sich durch die Verwendung von Fischaugenobjektiven und sich stark ändernden Ansichten ergeben, berücksichtigt. Darauf aufbauend stellen wir ein robustes Verfahren zur Nachführung der Parameter der Bodenebene vor. Basierend auf der theoretischen Analyse der Beobachtbarkeit und den vorgestellten Verfahren stellen wir ein robustes, rekursives Kalibrierverfahren vor, das auf einem erweiterten Kalman-Filter aufbaut. Das vorgestellte Kalibrierverfahren zeichnet sich insbesondere durch die geringe Anzahl von internen Parametern, sowie durch die hohe Flexibilität hinsichtlich der einbezogenen Bedingungsgleichungen aus und basiert einzig auf den Bilddaten des Multikamerasystems. In einer umfangreichen experimentellen Auswertung mit realen Daten vergleichen wir die Ergebnisse der auf unterschiedlichen Bedingungsgleichungen und Bewegungsmodellen basierenden Verfahren mit den aus einer Referenzkalibrierung bestimmten Parametern. Die besten Ergebnisse wurden dabei durch die Kombination aller vorgestellten Bedingungsgleichungen erzielt. Anhand mehrerer Beispiele zeigen wir, dass die erreichte Genauigkeit ausreichend für eine Vielzahl von Anwendungen ist

The application of range imaging for improved local feature representations

This thesis presents an investigation into the integration of information extracted from co-aligned range and intensity images to achieve pose invariant object recognition. Local feature matching is a fundamental technique in image analysis that underpins many computer vision-based applications; the approach comprises identifying a collection of interest points in an image, characterising the local image region surrounding the interest point by means of a descriptor, and matching these descriptors between example images. Such local feature descriptors are formed from a measure of the local image statistics in the region surrounding the interest point. The interest point locations and the means of measuring local image statistics should be chosen such that resultant descriptor remains stable across a range of common image transformations. Recently the availability of low cost, high quality range imaging devices has motivated an interest in local feature extraction from range images. It has been widely assumed in the vision community that the range imaging domain has properties which remain quasi-invariant through a wide range of changes in illumination and pose. Accordingly, it has been suggested that local feature extraction in the range domain should allow the calculation of local feature descriptors that are potentially more robust than those calculated from the intensity imaging domain alone. However, range images represent differing characteristics from those represented within intensity images which are frequently used, independently from range images, to create robust local features. Therefore, this work attempts to establish the best means of combining information from these two imaging modalities to further increase the reliability of matching local features. Local feature extraction comprises a series of processes applied to an image location such that a collection of repeatable descriptors can be established. By using co-aligned range and intensity images this work investigates the choice of modality and method for each step in the extraction process as an approach to optimising the resulting descriptor. Additionally, multimodal features are formed by combining information from both domains in a single stage in the extraction process. To further improve the quality of feature descriptors, a calculation of the surface normals and a use of the 3D structure from the range image are applied to correct the 3D appearance of a local sample patch, thereby increasing the similarity between observations. The matching performance of local features is evaluated using an experimental setup comprising a turntable and stereo pair of cameras. This experimental setup is used to create a database of intensity and range images for 5 objects imaged at 72 calibrated viewpoints, creating a database of 360 object observations. The use of a calibrated turntable in combination with the 3D object surface coordiantes, supplied by the range image allow location correspondences between object observations to be established; and therefore descriptor matches to be labelled as either true positive or false positive. Applying this methodology to the formulated local features show that two approaches demonstrate state-of-the-art performance, with a ~40% increase in area under ROC curve at a False Positive Rate of 10% when compared with standard SIFT. These approaches are range affine corrected intensity SIFT and element corrected surface gradients SIFT. Furthermore,this work uses the 3D structure encoded in the range image to organise collections of interest points from a series of observations into a collection of canonical views in a new model local feature. The canonical views for a interest point are stored in a view compartmentalised structure which allows the appearance of a local interest point to be characterised across the view sphere. Each canonical view is assigned a confidence measure based on the 3D pose of the interest point at observation, this confidence measure is then used to match similar canonical views of model and query interest points thereby achieving a pose invariant interest point description. This approach does not produce a statistically significant performance increase. However, does contribute a validated methodology for combining multiple descriptors with differing confidence weightings into a single keypoint