Segmentation des images de façade avec à priori sur la forme

Segmentation of facade images with shape priors

• Auteur / Autrice : Mateusz Kozinski
• Direction : Renaud Marlet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, Image, Automatique
• Date : Soutenance le 30/06/2015
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'Institut Gaspard Monge (1997-2009) - LIGM
• Jury : Président / Présidente : Hugues Talbot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Marlet, Frédéric Jurie, Hayko Riemenschneider
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Peter Wonka, Iasonas Kokkinos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Programmation linéaire

Modélisation tridimensionnelle

Reconstruction d'image

Façades

Traitement d'images -- Techniques numériques

Mots clés libres

Modeles de bâtiment

Segmentation d'images

Reconstruction 3d

Modeles de forme

Parsing d'image

Building models

Image segmentation

3d reconstruction

Shape priors

Image parsing

Résumé

L'objectif de cette thèse concerne l'analyse automatique d'images de façades de bâtiments à partir de descriptions formelles à priori de formes géométriques. Ces informations suggérées par un utilisateur permettent de modéliser, de manière formelle, des contraintes spatiales plus ou moins dures quant à la segmentation sémantique produite par le système. Ceci permet de se défaire de deux principaux écueils inhérents aux méthodes d'analyse de façades existantes qui concernent d'une part la coûteuse fidélité de la segmentation résultante aux données visuelles de départ, d'autre part, la spécificité architecturale des règles imposées lors du processus de traitement. Nous proposons d'explorer au travers de cette thèse, différentes méthodes alternatives à celles proposées dans la littérature en exploitant un formalisme de représentation d'à priori de haut niveau d'abstraction, les propriétés engendrées par ces nouvelles méthodes ainsi que les outils de résolution mis en œuvres par celles-ci. Le système résultant est évalué tant quantitativement que qualitativement sur de multiples bases de données standards et par le biais d'études comparatives à des approches à l'état de l'art en la matière. Parmi nos contributions, nous pouvons citer la combinaison du formalisme des grammaires de graphes exprimant les variations architecturales de façades de bâtiments et les modèles graphiques probabilistes modélisant l'énergie attribuée à une configuration paramétrique donnée, dans un schéma d'optimisation par minimisation d'énergie; ainsi qu'une nouvelle approche par programmation linéaire d'analyse avec à priori de formes. Enfin, nous proposons un formalisme flexible de ces à priori devançant de par ses performances les méthodes à l'état de l'art tout en combinant les avantages de la généricité de contraintes simples manuellement imposées par un utilisateur, à celles de la précision de la segmentation finale qui se faisait jusqu'alors au prix d'un encodage préliminaire restrictif de règles grammaticales complexes propres à une famille architecturale donnée. Le système décrit permet également de traiter avec robustesse des scènes comprenant des objets occultants et pourrait encore être étendu notamment afin de traiter l'extension tri-dimensionnelle de la sémantisation d'environnements urbains sous forme de nuages de points 3D ou d'une analyse multi-image de bâtiments

The aim of this work is to propose a framework for facade segmentation with user-defined shape priors. In such a framework, the user specifies a shape prior using a rigorously defined shape prior formalism. The prior expresses a number of hard constraints and soft preference on spatial configuration of segments, constituting the final segmentation. Existing approaches to the problem are affected by a compromise between the type of constraints, the satisfaction of which can be guaranteed by the segmentation algorithm, and the capability to approximate optimal segmentations consistent with a prior. In this thesis we explore a number of approaches to facade parsing that combine prior formalism featuring high expressive power, guarantees of conformance of the resulting segmentations to the prior, and effective inference. We evaluate the proposed algorithms on a number of datasets. Since one of our focus points is the accuracy gain resulting from more effective inference algorithms, we perform a fair comparison to existing methods, using the same data term. Our contributions include a combination of graph grammars for expressing variation of facade structure with graphical models encoding the energy of models of given structures for different positions of facade elements. We also present the first linear formulation of facade parsing with shape priors. Finally, we propose a shape prior formalism that enables formulating the problem of optimal segmentation as the inference in a Markov random field over the standard four-connected grid of pixels. The last method advances the state of the art by combining the flexibility of a user-defined grammar with segmentation accuracy that was reserved for frameworks with pre-defined priors before. It also enables handling occlusions by simultaneously recovering the structure of the occluded facade and segmenting the occluding objects. We believe that it can be extended in many directions, including semantizing three-dimensional point clouds and parsing images of general urban scenes