Understanding and advancing PDE-based image compression

This thesis is dedicated to image compression with partial differential equations (PDEs). PDE-based codecs store only a small amount of image points and propagate their information into the unknown image areas during the decompression step. For certain classes of images, PDE-based compression can already outperform the current quasi-standard, JPEG2000. However, the reasons for this success are not yet fully understood, and PDE-based compression is still in a proof-of-concept stage. With a probabilistic justification for anisotropic diffusion, we contribute to a deeper insight into design principles for PDE-based codecs. Moreover, by analysing the interaction between efficient storage methods and image reconstruction with diffusion, we can rank PDEs according to their practical value in compression. Based on these observations, we advance PDE-based compression towards practical viability: First, we present a new hybrid codec that combines PDE- and patch-based interpolation to deal with highly textured images. Furthermore, a new video player demonstrates the real-time capacities of PDE-based image interpolation and a new region of interest coding algorithm represents important image areas with high accuracy. Finally, we propose a new framework for diffusion-based image colourisation that we use to build an efficient codec for colour images. Experiments on real world image databases show that our new method is qualitatively competitive to current state-of-the-art codecs.Diese Dissertation ist der Bildkompression mit partiellen Differentialgleichungen (PDEs, partial differential equations) gewidmet. PDE-Codecs speichern nur einen geringen Anteil aller Bildpunkte und transportieren deren Information in fehlende Bildregionen. In einigen Fällen kann PDE-basierte Kompression den aktuellen Quasi-Standard, JPEG2000, bereits schlagen. Allerdings sind die Gründe für diesen Erfolg noch nicht vollständig erforscht, und PDE-basierte Kompression befindet sich derzeit noch im Anfangsstadium. Wir tragen durch eine probabilistische Rechtfertigung anisotroper Diffusion zu einem tieferen Verständnis PDE-basierten Codec-Designs bei. Eine Analyse der Interaktion zwischen effizienten Speicherverfahren und Bildrekonstruktion erlaubt es uns, PDEs nach ihrem Nutzen für die Kompression zu beurteilen. Anhand dieser Einsichten entwickeln wir PDE-basierte Kompression hinsichtlich ihrer praktischen Nutzbarkeit weiter: Wir stellen einen Hybrid-Codec für hochtexturierte Bilder vor, der umgebungsbasierte Interpolation mit PDEs kombiniert. Ein neuer Video-Dekodierer demonstriert die Echtzeitfähigkeit PDE-basierter Interpolation und eine Region-of-Interest-Methode erlaubt es, wichtige Bildbereiche mit hoher Genauigkeit zu speichern. Schlussendlich stellen wir ein neues diffusionsbasiertes Kolorierungsverfahren vor, welches uns effiziente Kompression von Farbbildern ermöglicht. Experimente auf Realwelt-Bilddatenbanken zeigen die Konkurrenzfähigkeit dieses Verfahrens auf

Understanding and advancing PDE-based image compression

This thesis is dedicated to image compression with partial differential equations (PDEs). PDE-based codecs store only a small amount of image points and propagate their information into the unknown image areas during the decompression step. For certain classes of images, PDE-based compression can already outperform the current quasi-standard, JPEG2000. However, the reasons for this success are not yet fully understood, and PDE-based compression is still in a proof-of-concept stage. With a probabilistic justification for anisotropic diffusion, we contribute to a deeper insight into design principles for PDE-based codecs. Moreover, by analysing the interaction between efficient storage methods and image reconstruction with diffusion, we can rank PDEs according to their practical value in compression. Based on these observations, we advance PDE-based compression towards practical viability: First, we present a new hybrid codec that combines PDE- and patch-based interpolation to deal with highly textured images. Furthermore, a new video player demonstrates the real-time capacities of PDE-based image interpolation and a new region of interest coding algorithm represents important image areas with high accuracy. Finally, we propose a new framework for diffusion-based image colourisation that we use to build an efficient codec for colour images. Experiments on real world image databases show that our new method is qualitatively competitive to current state-of-the-art codecs.Diese Dissertation ist der Bildkompression mit partiellen Differentialgleichungen (PDEs, partial differential equations) gewidmet. PDE-Codecs speichern nur einen geringen Anteil aller Bildpunkte und transportieren deren Information in fehlende Bildregionen. In einigen Fällen kann PDE-basierte Kompression den aktuellen Quasi-Standard, JPEG2000, bereits schlagen. Allerdings sind die Gründe für diesen Erfolg noch nicht vollständig erforscht, und PDE-basierte Kompression befindet sich derzeit noch im Anfangsstadium. Wir tragen durch eine probabilistische Rechtfertigung anisotroper Diffusion zu einem tieferen Verständnis PDE-basierten Codec-Designs bei. Eine Analyse der Interaktion zwischen effizienten Speicherverfahren und Bildrekonstruktion erlaubt es uns, PDEs nach ihrem Nutzen für die Kompression zu beurteilen. Anhand dieser Einsichten entwickeln wir PDE-basierte Kompression hinsichtlich ihrer praktischen Nutzbarkeit weiter: Wir stellen einen Hybrid-Codec für hochtexturierte Bilder vor, der umgebungsbasierte Interpolation mit PDEs kombiniert. Ein neuer Video-Dekodierer demonstriert die Echtzeitfähigkeit PDE-basierter Interpolation und eine Region-of-Interest-Methode erlaubt es, wichtige Bildbereiche mit hoher Genauigkeit zu speichern. Schlussendlich stellen wir ein neues diffusionsbasiertes Kolorierungsverfahren vor, welches uns effiziente Kompression von Farbbildern ermöglicht. Experimente auf Realwelt-Bilddatenbanken zeigen die Konkurrenzfähigkeit dieses Verfahrens auf

Festschrift zum 60. Geburtstag von Wolfgang Strasser

Die vorliegende Festschrift ist Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Wolfgang Straßer zu seinem 60. Geburtstag gewidmet. Eine Reihe von Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Computergraphik, die alle aus der "Tübinger Schule" stammen, haben - zum Teil zusammen mit ihren Schülern - Aufsätze zu dieser Schrift beigetragen. Die Beiträge reichen von der Objektrekonstruktion aus Bildmerkmalen über die physikalische Simulation bis hin zum Rendering und der Visualisierung, vom theoretisch ausgerichteten Aufsatz bis zur praktischen gegenwärtigen und zukünftigen Anwendung. Diese thematische Buntheit verdeutlicht auf anschauliche Weise die Breite und Vielfalt der Wissenschaft von der Computergraphik, wie sie am Lehrstuhl Straßer in Tübingen betrieben wird. Schon allein an der Tatsache, daß im Bereich der Computergraphik zehn Professoren an Universitäten und Fachhochschulen aus Tübingen kommen, zeigt sich der prägende Einfluß Professor Straßers auf die Computergraphiklandschaft in Deutschland. Daß sich darunter mehrere Physiker und Mathematiker befinden, die in Tübingen für dieses Fach gewonnen werden konnten, ist vor allem seinem Engagement und seiner Ausstrahlung zu verdanken. Neben der Hochachtung vor den wissenschaftlichen Leistungen von Professor Straßer hat sicherlich seine Persönlichkeit einen entscheidenden Anteil an der spontanten Bereischaft der Autoren, zu dieser Festschrift beizutragen. Mit außergewöhnlich großem persönlichen Einsatz fördert er Studenten, Doktoranden und Habilitanden, vermittelt aus seinen reichen internationalen Beziehungen Forschungskontakte und schafft so außerordentlich gute Voraussetzungen für selbständige wissenschafliche Arbeit. Die Autoren wollen mit ihrem Beitrag Wolfgang Straßer eine Freude bereiten und verbinden mit ihrem Dank den Wunsch, auch weiterhin an seinem fachlich wie menschlich reichen und bereichernden Wirken teilhaben zu dürfen

Discrete Wavelet Transforms

The discrete wavelet transform (DWT) algorithms have a firm position in processing of signals in several areas of research and industry. As DWT provides both octave-scale frequency and spatial timing of the analyzed signal, it is constantly used to solve and treat more and more advanced problems. The present book: Discrete Wavelet Transforms: Algorithms and Applications reviews the recent progress in discrete wavelet transform algorithms and applications. The book covers a wide range of methods (e.g. lifting, shift invariance, multi-scale analysis) for constructing DWTs. The book chapters are organized into four major parts. Part I describes the progress in hardware implementations of the DWT algorithms. Applications include multitone modulation for ADSL and equalization techniques, a scalable architecture for FPGA-implementation, lifting based algorithm for VLSI implementation, comparison between DWT and FFT based OFDM and modified SPIHT codec. Part II addresses image processing algorithms such as multiresolution approach for edge detection, low bit rate image compression, low complexity implementation of CQF wavelets and compression of multi-component images. Part III focuses watermaking DWT algorithms. Finally, Part IV describes shift invariant DWTs, DC lossless property, DWT based analysis and estimation of colored noise and an application of the wavelet Galerkin method. The chapters of the present book consist of both tutorial and highly advanced material. Therefore, the book is intended to be a reference text for graduate students and researchers to obtain state-of-the-art knowledge on specific applications

GPU data structures for graphics and vision

Graphics hardware has in recent years become increasingly programmable, and its programming APIs use the stream processor model to expose massive parallelization to the programmer. Unfortunately, the inherent restrictions of the stream processor model, used by the GPU in order to maintain high performance, often pose a problem in porting CPU algorithms for both video and volume processing to graphics hardware. Serial data dependencies which accelerate CPU processing are counterproductive for the data-parallel GPU. This thesis demonstrates new ways for tackling well-known problems of large scale video/volume analysis. In some instances, we enable processing on the restricted hardware model by re-introducing algorithms from early computer graphics research. On other occasions, we use newly discovered, hierarchical data structures to circumvent the random-access read/fixed write restriction that had previously kept sophisticated analysis algorithms from running solely on graphics hardware. For 3D processing, we apply known game graphics concepts such as mip-maps, projective texturing, and dependent texture lookups to show how video/volume processing can benefit algorithmically from being implemented in a graphics API. The novel GPU data structures provide drastically increased processing speed, and lift processing heavy operations to real-time performance levels, paving the way for new and interactive vision/graphics applications.Graphikhardware wurde in den letzen Jahren immer weiter programmierbar. Ihre APIs verwenden das Streamprozessor-Modell, um die massive Parallelisierung auch für den Programmierer verfügbar zu machen. Leider folgen aus dem strikten Streamprozessor-Modell, welches die GPU für ihre hohe Rechenleistung benötigt, auch Hindernisse in der Portierung von CPU-Algorithmen zur Video- und Volumenverarbeitung auf die GPU. Serielle Datenabhängigkeiten beschleunigen zwar CPU-Verarbeitung, sind aber für die daten-parallele GPU kontraproduktiv . Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen für bekannte Probleme der Video- und Volumensverarbeitung. Teilweise wird die Verarbeitung mit Hilfe von modifizierten Algorithmen aus der frühen Computergraphik-Forschung an das beschränkte Hardwaremodell angepasst. Anderswo helfen neu entdeckte, hierarchische Datenstrukturen beim Umgang mit den Schreibzugriff-Restriktionen die lange die Portierung von komplexeren Bildanalyseverfahren verhindert hatten. In der 3D-Verarbeitung nutzen wir bekannte Konzepte aus der Computerspielegraphik wie Mipmaps, projektive Texturierung, oder verkettete Texturzugriffe, und zeigen auf welche Vorteile die Video- und Volumenverarbeitung aus hardwarebeschleunigter Graphik-API-Implementation ziehen kann. Die präsentierten GPU-Datenstrukturen bieten drastisch schnellere Verarbeitung und heben rechenintensive Operationen auf Echtzeit-Niveau. Damit werden neue, interaktive Bildverarbeitungs- und Graphik-Anwendungen möglich

Scalable exploration of 3D massive models

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e as Comunicacións. 5032V01[Resumo] Esta tese presenta unha serie técnicas escalables que avanzan o estado da arte da creación e exploración de grandes modelos tridimensionaies. No ámbito da xeración destes modelos, preséntanse métodos para mellorar a adquisición e procesado de escenas reais, grazas a unha implementación eficiente dun sistema out- of- core de xestión de nubes de puntos, e unha nova metodoloxía escalable de fusión de datos de xeometría e cor para adquisicións con oclusións. No ámbito da visualización de grandes conxuntos de datos, que é o núcleo principal desta tese, preséntanse dous novos métodos. O primeiro é unha técnica adaptabile out-of-core que aproveita o hardware de rasterización da GPU e as occlusion queries para crear lotes coherentes de traballo, que serán procesados por kernels de trazado de raios codificados en shaders, permitindo out-of-core ray-tracing con sombreado e iluminación global. O segundo é un método de compresión agresivo que aproveita a redundancia xeométrica que se adoita atopar en grandes modelos 3D para comprimir os datos de forma que caiban, nun formato totalmente renderizable, na memoria da GPU. O método está deseñado para representacións voxelizadas de escenas 3D, que son amplamente utilizadas para diversos cálculos como para acelerar as consultas de visibilidade na GPU. A compresión lógrase fusionando subárbores idénticas a través dunha transformación de similitude, e aproveitando a distribución non homoxénea de referencias a nodos compartidos para almacenar punteiros aos nodos fillo, e utilizando unha codificación de bits variable. A capacidade e o rendemento de todos os métodos avalíanse utilizando diversos casos de uso do mundo real de diversos ámbitos e sectores, incluídos o patrimonio cultural, a enxeñería e os videoxogos.[Resumen] En esta tesis se presentan una serie técnicas escalables que avanzan el estado del arte de la creación y exploración de grandes modelos tridimensionales. En el ámbito de la generación de estos modelos, se presentan métodos para mejorar la adquisición y procesado de escenas reales, gracias a una implementación eficiente de un sistema out-of-core de gestión de nubes de puntos, y una nueva metodología escalable de fusión de datos de geometría y color para adquisiciones con oclusiones. Para la visualización de grandes conjuntos de datos, que constituye el núcleo principal de esta tesis, se presentan dos nuevos métodos. El primero de ellos es una técnica adaptable out-of-core que aprovecha el hardware de rasterización de la GPU y las occlusion queries, para crear lotes coherentes de trabajo, que serán procesados por kernels de trazado de rayos codificados en shaders, permitiendo renders out-of-core avanzados con sombreado e iluminación global. El segundo es un método de compresión agresivo, que aprovecha la redundancia geométrica que se suele encontrar en grandes modelos 3D para comprimir los datos de forma que quepan, en un formato totalmente renderizable, en la memoria de la GPU. El método está diseñado para representaciones voxelizadas de escenas 3D, que son ampliamente utilizadas para diversos cálculos como la aceleración las consultas de visibilidad en la GPU o el trazado de sombras. La compresión se logra fusionando subárboles idénticos a través de una transformación de similitud, y aprovechando la distribución no homogénea de referencias a nodos compartidos para almacenar punteros a los nodos hijo, utilizando una codificación de bits variable. La capacidad y el rendimiento de todos los métodos se evalúan utilizando diversos casos de uso del mundo real de diversos ámbitos y sectores, incluidos el patrimonio cultural, la ingeniería y los videojuegos.[Abstract] This thesis introduces scalable techniques that advance the state-of-the-art in massive model creation and exploration. Concerning model creation, we present methods for improving reality-based scene acquisition and processing, introducing an efficient implementation of scalable out-of-core point clouds and a data-fusion approach for creating detailed colored models from cluttered scene acquisitions. The core of this thesis concerns enabling technology for the exploration of general large datasets. Two novel solutions are introduced. The first is an adaptive out-of-core technique exploiting the GPU rasterization pipeline and hardware occlusion queries in order to create coherent batches of work for localized shader-based ray tracing kernels, opening the door to out-of-core ray tracing with shadowing and global illumination. The second is an aggressive compression method that exploits redundancy in large models to compress data so that it fits, in fully renderable format, in GPU memory. The method is targeted to voxelized representations of 3D scenes, which are widely used to accelerate visibility queries on the GPU. Compression is achieved by merging subtrees that are identical through a similarity transform and by exploiting the skewed distribution of references to shared nodes to store child pointers using a variable bitrate encoding The capability and performance of all methods are evaluated on many very massive real-world scenes from several domains, including cultural heritage, engineering, and gaming