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Scene understanding for interactive applications

Cambra Linés, Ana Belén
Muñoz Orbañanos, Adolfo (dir.) ; Murillo Arnal, Ana Cristina (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2018
(Informática e Ingeniería de Sistemas)


Resumen: Para interactuar con el entorno, es necesario entender que está ocurriendo en la escena donde se desarrolla la acción. Décadas de investigación en el campo de la visión por computador han contribuido a conseguir sistemas que permiten interpretar de manera automática el contenido en una escena a partir de información visual. Se podría decir el objetivo principal de estos sistemas es replicar la capacidad humana para extraer toda la información a partir solo de datos visuales. Por ejemplo, uno de sus objetivos es entender como percibimos
el mundo en tres dimensiones o como podemos reconocer sitios y objetos a pesar de la gran variación en su apariencia. Una de las tareas básicas para entender una escena es asignar un significado semántico a cada elemento (píxel) de una imagen. Esta tarea se puede formular como un problema de etiquetado denso el cual especifica valores (etiquetas) a cada pixel o región de una imagen. Dependiendo de la aplicación, estas etiquetas pueden
representar conceptos muy diferentes, desde magnitudes físicas como la información de profundidad, hasta información semántica, como la categoría de un objeto. El objetivo general en esta tesis es investigar y desarrollar nuevas técnicas para incorporar automáticamente una retroalimentación por parte del usuario, o un conocimiento previo en sistemas inteligente para conseguir analizar automáticamente el contenido de una escena. en particular,
esta tesis explora dos fuentes comunes de información previa proporcionado por los usuario: interacción humana y etiquetado manual de datos de ejemplo.
La primera parte de esta tesis esta dedicada a aprendizaje de información de una escena a partir de información proporcionada de manera interactiva por un usuario. Las soluciones que involucran a un usuario imponen limitaciones en el rendimiento, ya que la respuesta que se le da al usuario debe obtenerse en un tiempo interactivo. Esta tesis presenta un paradigma eficiente que aproxima cualquier magnitud por píxel a partir de unos pocos trazos del usuario. Este sistema propaga los escasos datos de entrada proporcionados por el usuario a cada píxel de la imagen. El paradigma propuesto se ha validado a través de
tres aplicaciones interactivas para editar imágenes, las cuales requieren un conocimiento por píxel de una cierta magnitud, con el objetivo de simular distintos efectos.
Otra estrategia común para aprender a partir de información de usuarios es diseñar sistemas supervisados de aprendizaje automático. En los últimos años, las redes neuronales convolucionales han superado el estado del arte de gran variedad de problemas de reconocimiento visual. Sin embargo, para nuevas tareas, los datos necesarios de entrenamiento pueden no estar disponibles y recopilar suficientes no es siempre posible. La segunda parte de esta tesis explora como mejorar los sistema que aprenden etiquetado denso semántico a partir de imágenes previamente etiquetadas por los usuarios. En particular, se presenta y validan estrategias, basadas en los dos principales enfoques para transferir modelos basados en deep learning, para segmentación semántica, con el objetivo de poder aprender nuevas clases cuando los datos de entrenamiento no son suficientes en cantidad o precisión.
Estas estrategias se han validado en varios entornos realistas muy diferentes, incluyendo entornos urbanos, imágenes aereas y imágenes submarinas.


Resumen (otro idioma): In order to interact with the environment, it is necessary to understand what is happening on it, on the scene where the action is ocurring. Decades of research in the computer vision field have contributed towards automatically achieving this scene understanding from visual information. Scene understanding is a very broad area of research within the computer vision field. We could say that it tries to replicate the human capability of extracting plenty of information from visual data. For example, we would like to understand how the people perceive the world in three dimensions or can quickly recognize places or objects despite substantial appearance variation. One of the basic tasks in scene understanding from visual data is to assign a semantic meaning to every element of the image, i.e., assign a concept or object label to every pixel in the image. This problem can be formulated as a dense image labeling problem which assigns specific values (labels) to each pixel or region in the image. Depending on the application, the labels can represent very different concepts, from a physical magnitude, such as depth information, to high level semantic information, such as an object category. The general goal in this thesis is to investigate and develop new ways to automatically incorporate human feedback or prior knowledge in intelligent systems that require scene understanding capabilities. In particular, this thesis explores two common sources of prior information from users: human interactions and human labeling of sample data. The first part of this thesis is focused on learning complex scene information from interactive human knowledge. Interactive user solutions impose limitations on the performance where the feedback to the user must be at interactive rates. This thesis presents an efficient interaction paradigm that approximates any per-pixel magnitude from a few user strokes. It propagates the sparse user input to each pixel of the image. We demonstrate the suitability of the proposed paradigm through three interactive image editing applications which require per-pixel knowledge of certain magnitude: simulate the effect of depth of field, dehazing and HDR tone mapping. Other common strategy to learn from user prior knowledge is to design supervised machine-learning approaches. In the last years, Convolutional Neural Networks (CNNs) have pushed the state-of-the-art on a broad variety of visual recognition problems. However, for new tasks, enough training data is not always available and therefore, training from scratch is not always feasible. The second part of this thesis investigates how to improve systems that learn dense semantic labeling of images from user labeled examples. In particular, we present and validate strategies, based on common transfer learning approaches, for semantic segmentation. The goal of these strategies is to learn new specific classes when there is not enough labeled data to train from scratch. We evaluate these strategies across different environments, such as autonomous driving scenes, aerial images or underwater ones.

Pal. clave: visión artificial ; inteligencia artificial ; robótica ; tratamiento digital de imágenes

Departamento: Informática e Ingeniería de Sistemas

Nota: Presentado: 05 02 2018
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Informática e Ingeniería de Sistemas, 2018



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