Phương Pháp Học Máy Ứng Dụng Trong Giải Quyết Các Vấn Đề Thị Giác - Luận Án Tiến Sĩ

Luận án tiến sĩ trình bày phương pháp học máy giải quyết vấn đề thị giác máy tính, ứng dụng hiệu quả trong xử lý hình ảnh và nhận dạng đối tượng.

Trường đại học

University of California Santa Cruz

Chuyên ngành

Computer Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

dissertation

2006

190
1
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

List of Figures

List of Tables

Abstract

Dedication

Acknowledgments

I. Part I Learning-based Stereo

1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION

1.1. The Problem

1.2. Foundations of Stereo

1.2.1. Calibration

1.2.2. Correspondence

1.2.3. Triangulation

1.2.4. Constraint

1.3. Related Work and Motivation

1.4. The Approach

1.4.1. Representing and Learning Matching Behaviors

1.4.2. A Probabilistic Stereo Model

1.5. Results and Discussion

II. Video Super-resolution

2.1. Introduction and Related Work

2.2. Reconstruction-based Methods

2.3. Learning-based Methods

2.4. Primal Sketch Priors

2.4.1. Example-based Priors

2.4.2. Learning primal sketch priors

2.4.3. Why primal sketch

2.5. Video Super-resolution

2.5.1. Overview of the Approach

2.5.2. Scene-specific Priors

2.5.3. Introduction to CRF

2.5.4. Implementation and Results

2.5.5. Quantitative Results

2.6. Discussion

III. Human Detection and Counting

3.1. Introduction and Related Work

3.2. Human Counting: A Regression Approach

3.2.1. Results and Discussion

3.3. Human Counting: A Detection-based Approach

3.3.1. Convolutional Neural Network (CNN)

3.3.2. Multi-scale Detection

3.4. Conclusions and Future work

Bibliography

Tóm tắt

I. Phương Pháp Học Máy

Phương pháp học máy đóng vai trò trung tâm trong luận án, tập trung vào việc giải quyết các vấn đề thị giác như nhận diện hình ảnh, xử lý hình ảnh, và phát hiện đối tượng. Luận án sử dụng các mô hình học máy như mạng nơ-ron, học sâu, và học có giám sát để cải thiện độ chính xác trong các bài toán thị giác. Các thuật toán học máy được áp dụng bao gồm phân loại hình ảnhphát hiện đối tượng, với mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất trong các tình huống thực tế.

1.1. Học Sâu và Mạng Nơ ron

Học sâumạng nơ-ron là các công nghệ nổi bật trong luận án. Các mạng nơ-ron tích chập (CNN) được sử dụng để nhận diện hình ảnhphát hiện đối tượng, đặc biệt trong các tình huống có độ phân giải thấp. Luận án nhấn mạnh việc sử dụng học có giám sát để huấn luyện các mô hình, giúp cải thiện độ chính xác trong các bài toán thị giác.

1.2. Học Có Giám Sát và Không Giám Sát

Luận án phân tích sự khác biệt giữa học có giám sáthọc không giám sát. Học có giám sát được áp dụng trong các bài toán phân loại hình ảnh, trong khi học không giám sát được sử dụng để phân cụm dữ liệu hình ảnh. Cả hai phương pháp đều có giá trị trong việc giải quyết các vấn đề thị giác phức tạp.

II. Vấn Đề Thị Giác

Luận án tập trung vào các vấn đề thị giác như nhận diện hình ảnh, xử lý hình ảnh, và phát hiện đối tượng. Các phương pháp học máy được áp dụng để giải quyết các thách thức trong thị giác máy tính, bao gồm việc xử lý các hình ảnh có độ phân giải thấp và các đối tượng bị che khuất.

2.1. Nhận Diện Hình Ảnh

Nhận diện hình ảnh là một trong những vấn đề thị giác chính được đề cập trong luận án. Các thuật toán học máy như mạng nơ-ron tích chập (CNN) được sử dụng để cải thiện độ chính xác trong việc nhận diện các đối tượng trong hình ảnh. Luận án cũng đề cập đến việc sử dụng dữ liệu hình ảnh để huấn luyện các mô hình.

2.2. Xử Lý Hình Ảnh

Xử lý hình ảnh là một phần quan trọng trong luận án, với các phương pháp học máy được áp dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh. Các kỹ thuật như phân loại hình ảnhphát hiện đối tượng được sử dụng để xử lý các hình ảnh có độ phân giải thấp và các đối tượng bị che khuất.

III. Ứng Dụng Thực Tế

Luận án không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn nhấn mạnh vào các ứng dụng thực tế của phương pháp học máy trong thị giác máy tính. Các kết quả thực nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể trong việc nhận diện hình ảnh, xử lý hình ảnh, và phát hiện đối tượng.

3.1. Nhận Diện Đối Tượng

Nhận diện đối tượng là một trong những ứng dụng thực tế quan trọng của phương pháp học máy. Luận án sử dụng các mạng nơ-ron tích chập (CNN) để cải thiện độ chính xác trong việc nhận diện các đối tượng trong hình ảnh, đặc biệt trong các tình huống có độ phân giải thấp.

3.2. Xử Lý Video

Luận án cũng đề cập đến việc áp dụng phương pháp học máy trong xử lý video. Các kỹ thuật như siêu phân giải video được sử dụng để cải thiện chất lượng video, với các kết quả thực nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể trong chất lượng hình ảnh.

21/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

UNIVERSITY OF CALIFORNIA SANTA CRUZ LEARNING-BASED APPROACH FOR VISION PROBLEMS A dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY in COMPUTER ENGINEERING by Dan Kong December 2006 The Dissertation of Dan Kong is approved: Professor Hai Tao, Chair ho rofessor R O Manduchi (pms. Prdfessor James Davis LO. Sloan Vice Provost and Dean of Graduate Studies UMI Number: 3241208 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction.

In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted. Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion. ® UMI UMI Microform 3241208 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved.

This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P. Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 Copyright @ by Dan Kong 2006 Table of Contents List of Figures vii List of Tables xi Abstract xii Dedication xV Acknowledgments xvi I Learning-based Stereo 1 Introduction 11 The Problem .00 00004 12 Foundations of Stereo. cv co ee ees 1.

ee eee es 12. ns 2 Related Work and Motivation 2.2 Window-based Matching.165 MRF-based Methods.6 Segmentation-based Methods Cr — 2. ee et ee. ee ee es 2.

eee ee ee ee 2. es The Approach 3.1 Representing and Learning Matching Behaviors .11 Representing matching behaviors.2 Learning the distribution .3 Adaptive bin selection .00 e ee eee eens 3.2 A Probabilistic Stereo Model .1 Stereo as an MAP-MRF problem. HQ Q kg kg kia Results and Discussion 4. HQ eee eee kg và 4.

ng nà g kg kg va IT Video Super-resolution Introduction and Related Work 5. kg và kg kg cv VN Và kia 5.2 Reconstruction-based Methods.3 Learning-based Methods.050 eee eae Primal Sketch Priors 6.2 Example-based Priors .2 Primal Sketch Priors. ee ee k kấ 6.2 Learning primal sketch priors. Why primal sketch.

HQ HQ HQ na Video Super-resolution 7.1 Overview of the Approach. ch và kg va 7. g k k NT gà Nà KV va 1V 73 Scene-specific pIiOTS. LH Q Q HQ nu Hà Q kg Tà kg 73.

ce và ` ee 7. ee và vi 7. ung và và 7. cee ee ee 7.1 Introduction to CRF.

000 ee ee eens 74.gaä< Implementation and Results 101 8. 0 ee ee và 101 8. ee et ee 105 83 Quantitative Results. eee eee eee 110 Discussion 113 9.

kg và ga àna 114 92 >1 -. ai es 114 93 Primitive co-occurrence. 00 0c eee eee eee en 115 9.eee 115 III Human Detection and Counting 10 Introduction and Related Work 10. 00 ee tk ke và 11 Human Counting: A Regression Approach 11.

eee eee ee es 11. Q cv ng vn cv vn gà kg kg cv va 11.3 Results and Diacussion. ee 12 Human Counting: A Detection-based Approach 12.1 Convolutional Neural Network(CNN). HQ ng và va 12.

ee ee ee 12.3 Multi-scale Detection. QC ne va 13 Conclusions and Future work Bibliography vi List of Figures 1.1 The geometry of nonverged stereo.2 Rectification can make parallel scanlines and enforce reduce the epipo- lar constraint to1D.0 ee ee ees 2.1 (a) Tsukuba left image. (b) Synthetically alteration of the Tsukuba right image by increasing the intensity. (c) Depth map computed us- ing multi-scale Belief Propagation.

(d) Depth computed using 9 x 9 correlation window. 000 eee eee eee eee ees 2. (c) Depth computed using graph cut (d) Depth computed using 9 x9 correlation window. eee ee ee 2.3 All the experts used in the algorithm.

Black dot means the center of the matching window.0 eee eee eee eee 2.4 For depth discontinuity regions, the accuracy of depth estimates de- pends on the matching position of the correlation window. In this example, window A is betterthanB.5 Tsukuba color image (a) and the depth map computed using 7 x 7 NCC (b) Typical errors in NCC-based stereo matching.6 (a) probability of depth error as a function of distance to the near- est foreground object. (b) probability of depth error as a function of texture strength. (c) Probability of estimating true depth for 36 ex- perts on the textured and textureless foreground.

(d) Probability of estimating true depth for 36 experts at depth discontinuity regions.1 Disparity map using 9 x 9 correlation window and pixels A, B, C from three typical regions. 6 ee ee vii 3.2 The depth map for a scene of two objects: foreground (white rect- angle) and background (gray rectangle). The shade rectangle A is a background region close to the foreground. (a) Depth map with fat- tening effect where A has the foreground depth.

(b) True map for the left view where A has the background depth.3 The texture and structure attributes around a pixel.4 (a) The marginal likelihood density of the 3 x 3 scale texture strength evaluated on Middlebury stereo data. The vertical axis labels the probaiblity density and the horizontal axis labels the texture strength. The vertical dashed lines indicate the position of the bin boundaries which are adaptively choosen (b) The posterior probability distribution based on the adaptively chosen bỉns.5 The expectation of the posterior entropy rapidly reaches an asymptotic value as a function of the number of bins.6 Graphical model for stereo (a): Traditional MRF model. (b): MRF model in this paper.7 Illustration of how to compute the proposal probability ration for one 3.8 (a):Color segmentation using mean-shift.

(b): Depth segmentation based on median filtered SSD depth map. (c): Joint color and depth segmentation.9 Computation of likelihood and smoothness change for one super-pixel in segmentation-based approach.0 00 ee eee nes 4.1 The learned matching behavior for 7 x 7 correlation window. ee ee ees 4.2 Dense disparity map for the ” Tsukuba” ,” Sawtooth” ,” Venus” and ” Map” images.3 Intermediate results on Tsukuba data at different iterations.4 Comparisons of the disparity maps for the ” Tsukuba”, ”Sawtooth”, ”Venus” and ”"Map” images using 7 x 7 NCC matching cost as the likelihood.5 Dense disparity maps for the ” Teddy” and ”Cones” images.6 Comparisons of the disparity maps for the ”face” stereo pair. (a) Left image (b) Right Image (c) Initial depth from 7 x 7 correlation window.

(d) Belief propagation result. (e) Graph cut result.7 Energy of estimated depth map and ground truth.1 The filter bank used for primitives extraction (a) and typical primitives extracted (b) CS Sy 7.1 Overview of our video super-resolution approach.2 The ROC curves of primitive training data (a) and component training data (b) at different sizes. X-axis is match error and Y-axis is hit-rate.3 The prediction ROC curves of primitive training data (a) and com- ponent training data (b) at different sizes. X-axis is match error and Y-axis is hit-rate.4 The ROC curves for scene-specific dictionary D, and general dictionary D, that measures sufficiency (a) and predictability (b).

The scene- specific dictionary outperforms the general dictionary.5 Graphical model for super-resolution. (b) Video super-resolution.6 Comparison of video super-resolution results. Top: the original ad- jacent low resolution frames. (a)(b) Independent super-resolution of each frame.

(c)(d) Super-resolution with temporal smoothing.1 Training phase of the algorithm.2 Select the training frame using relative blurriness measure.3 Super-resolution results for frame 8 and 87 from the plant video se- quence. The input videos has resolution 240x160. Top: Bi-cubic inter- polation results (720x480). Bottom: results using customized dictio- nary plus temporal constraint (720x480).4 Super-resolution results for frame 12 and 78 from the face video se- quence.

The input videos has resolution 240x160. Top: Bi-cubic interpolation results (720x480). Bottom: results using scene-specific dictionary plus temporal constraint (720x480) .5 Super-resolution results for frame 9, and 121 from the keyboard video sequence. The input videos has resolution 160x120.

Top: Bi-cubic interpolation results (640x480). Bottom: results using customized dic- tionary plus temporal constraint (640x480) .6 Super-resolution results for frame 56, and 73 from the MPEG-4 en- coded video sequence. The input videos has resolution 352x288. (a)(b): Low resolution frame 117 x 96.

(c)(d): Bicubic interpolation to 352 x 288 (e)(f): Super-resolution using our approach.7 RMS errors for first 20 frames of testing video sequences (a) plant” (b) "face (c)"keyboard”.1 Features for crowd counting: (a) one frame from the videos, (b) fore- ground mask image, (c) edge map, (d) the edge map after the AND’ operation between (b) and (c). ee ee ix 11.2 The same person has different projected height in the image when translates on the ground plane.3 (a)Density estimation using homography. (b) ROI in the image.4 Three layer neural network architecture. The input is the normalized blob and edge orientation histograms.

The output is the crowdedness MEASUTE 6 HQ HH HH ng k va k kg kg kia 130 11.5 Model selection: the cross validation errors for different number of hidden layers.6 Crowd counting results from site A. nu ng vu gà sa 134 11.7 Crowd counting results for sequence from site B 12.1 Architecture of our Convolutional Neural Networks for human detection 140 12.2 Multi-scale detector.3 Some example images from MIT database.4 Some example images from INRIA database.5 CNN performance on MIT database with different scale. (b) False alarm rate.6 CNN performance on INRIA database with different scale. (a) Detec- tion rate.

(b) False alarm rate.7 Crowd counting results for video sequence from Beijing, China. (a)(b): Initial detection results for two frames. (c)(d): Results after bootstrap- ping the CNN using 'hard examples.8 Crowd counting results for Bookstore, UCSC. (a): Initial detection results for one frame.

(b): Results after bootstrapping the CNN using hard examples’,. Q0 Q HQ Vu v va va 153 List of Tables 4.1 Performance comparisons using NCC matching cost - 4.2 Performence of the proposed method for the new testbed images ` 12.1 Confusion matrix for MIT testing data of size 16 x 32 12.2 Confusion matrix for INRIA testing data of size 16 x 32 xi Abstract Learning-based Approach for Vision Problems by Dan Kong Learning-based techniques have seen more and more successful application in com- puter vision. ”Learning for vision” is viewed as the next challenging frontier for computer vision. Technical challenges in applying learning-based methods in vision include picking the appropriate representation, model generalization and complexity.

This dissertation investigated different vision problems together with the proposed learning algorithms for them. In particular, three vision problems are studied from low-level to high level: stereo, super-resolution and human detection. In the first part, we present a learning-based approach [73, 74]to address the visual correspondence problems when the stereo images have different intensity level. The algorithm first learns the matching behaviors of multiple local-window methods (called experts) using a simple histogram-based method.

The learned behaviors are then integrated into a MAP-MRF depth estimation framework and the Metropolis- Hastings algorithm is used to find the MAP solution. Segmentation is also used to accelerate the computation and improve the performance. Qualitative and quanti- tative experimental results are presented, which demonstrate that, for stereo image pair having different intensity level, the proposed algorithm significantly outperforms the state-of-the-art methods. Using prior knowledge can significantly improve the performance of low-level image processing and vision problems.

In the second part, we propose a learning- based approach [72, 71] for video super-resolution. The approach extends previous primal sketch image hallucination method via learning a scene-specific priors using examples. This is achieved by constructing training examples using the high resolution images captured by still camera and use that to increase the low resolution videos. As a result, information from cameras with different spatio-temporal resolutions is combined in our framework.

In addition, we use conditional random field (CRF) to enforce smoothness constraint between adjacent super-resolved frames and the video super-resolution is posed as finding the high resolution video that maximize the conditional probability.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Phương Pháp Học Máy Cho Các Vấn Đề Thị Giác Trong Luận Án Tiến Sĩ là một tài liệu chuyên sâu tập trung vào việc ứng dụng các kỹ thuật học máy để giải quyết các bài toán thị giác máy tính. Tài liệu này cung cấp cái nhìn toàn diện về cách tiếp cận hiện đại trong lĩnh vực thị giác máy tính, từ việc xử lý hình ảnh đến nhận dạng đối tượng và phân tích dữ liệu thị giác. Độc giả sẽ được hưởng lợi từ các phương pháp luận chi tiết, case studies thực tế, và những gợi ý để tối ưu hóa hiệu suất của các mô hình học máy trong lĩnh vực này.

Nếu bạn quan tâm đến ứng dụng học máy trong thị giác máy tính, bạn có thể khám phá thêm qua Tiểu luận đồ án tốt nghiệp phát triển mô hình học máy phát hiện và định vị vật thể ứng dụng trong điều khiển cánh tay robot, nơi các phương pháp học máy được áp dụng để điều khiển robot. Bên cạnh đó, Luận văn thạc sĩ HCMUTE quy hoạch quỹ đạo cho robot di động dựa trên thị giác máy tính cung cấp thêm góc nhìn về việc tích hợp thị giác máy tính vào hệ thống robot. Cuối cùng, HCMUTE tái cấu trúc vật thể 3D từ cặp hình ảnh stereo camera là một tài liệu hữu ích để hiểu sâu hơn về xử lý hình ảnh 3D.

Mỗi liên kết trên là cơ hội để bạn mở rộng kiến thức và khám phá các ứng dụng thực tế của học máy trong thị giác máy tính.