Chaînes de Markov triplets et segmentation non supervisée d'images

Triplet Markov chains and unsupervised image segmentation

• Auteur / Autrice : Clément Fernandes
• Direction : Wojciech Pieczynski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 21/11/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Télécom SudParis (Evry ; 2012-....) - Institut Polytechnique de Paris / IP Paris - Communications, Images et Traitement de l'Information / CITI - Statistiques, Optimisation, Probabilités / SOP - SAMOVAR
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom SudParis (France)
• Jury : Président / Présidente : Cédric Richard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Septier, Jean-Yves Tourneret, Nikolaos Limnios, Florence Tupin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Septier, Jean-Yves Tourneret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Markov, Processus de

Mathématiques

Mots clés libres

Chaînes de Markov triplet

Segmentation non supervisée d'images

Balayage de Peano contextuel

Chaînes de semi-Markov cachées

Données non stationnaires

Théorie de l'évidence

Triplet Markov chain

Unsupervised image segmentation

Contextual Peano scan

Hidden semi-Markov chains

Non-stationary data

Theory of evidence

Résumé

Les chaînes de Markov cachées (HMC) sont très utilisées pour la segmentation bayésienne non supervisée de données discrètes. Elles sont particulièrement robustes et, malgré leur simplicité, elles sont suffisamment efficaces dans de nombreuses situations. En particulier pour la segmentation d'image, malgré leur nature unidimensionnelle, elles sont capables, grâce à une transformation des images bidimensionnelles en séquences monodimensionnelles avec le balayage de Peano (PS), de produire des résultats satisfaisants. Cependant, dans certains cas, on peut préférer des modèles plus complexes tels que les champs de Markov cachées (HMF) malgré leur plus grande complexité en temps, pour leurs meilleurs résultats. De plus, les modèles de Markov cachés (les chaînes aussi bien que les champs) ont été étendus aux modèles de Markov couples et triplets, qui peuvent être intéressant dans des cas plus complexes. Par exemple, lorsque le temps de séjour n'est pas géométrique, les chaînes de semi-Markov cachées (HSMC) ont tendance à être plus performantes que les HMC, and on peut dire de même pour les chaînes de Markov évidentielles cachées (HEMC) dans le cas de données non-stationnaires. Dans cette thèse, nous proposons dans un premier lieu une nouvelle chaîne de Markov triplet (TMC), qui étend simultanément les HSMC et les HEMC. Basée sur les chaînes de Markov triplets cachées (HTMC), la nouvelle chaîne de semi-Markov évidentielle cachée (HESMC) peut être utilisée de manière non supervisée, les paramètres étant estimés avec l'algorithme Expectation-Maximization (EM). Nous validons l'intérêt d'un tel modèle grâce à des expériences sur des données synthétiques. Nous nous intéressons ensuite au problème de l'unidimensionnalité des HMC avec PS dans le cadre de la segmentation d'image, en construisant le balayage de Peano contextuel (CPS). Il consiste à associer à chaque indexe dans le HMC obtenu à partir du PS, deux observations sur les pixels qui sont voisins du pixel en question dans l'image considérée, mais qui ne sont pas voisins dans la HMC. On obtient donc trois observations pour chaque point du balayage de Peano, ce qui induit une nouvelle chaîne de Markov conditionnelle (CMC) avec une structure plus complexe, mais dont la loi a posteriori est toujours markovienne. Ainsi, nous pouvons appliquer la méthode classique d'estimation des paramètres : l'algorithme Stochastic Expectation-Maximization (SEM), ainsi qu'étudier la segmentation non supervisée obtenue avec l'estimateur du mode des marginales a posteriori (MPM). Les segmentations supervisées et non supervisées par MPM, basées sur la CMC avec CPS, sont comparés aux HMC avec PS et aux HMF à travers des expériences sur des images synthétiques. Elles améliorent de manière significative les premières, et peuvent même être compétitives avec ces derniers. Finalement, nous étendons les CMC-CPS aux chaînes de Markov couples conditionnelles (CPMC) et à deux chaînes de Markov triplets particulières : les chaînes de Markov évidentielles conditionnelles (CEMC) et les chaînes de semi-Markov conditionnelles (CSMC). Pour chacune de ces extensions, nous montrons qu'elles peuvent améliorer de manière notable leur contrepartie non conditionnelle, ainsi que les CMC-CPS, et peuvent même être compétitives avec les HMF. Par ailleurs, elles permettent de mieux utiliser la généralité du triplet markovien dans le cadre de la segmentation d'image, en contournant les problèmes de temps de calcul considérables qui apparaissent lorsque l'on passe des champs de Markov cachés aux triplets.

Hidden Markov chains (HMC) are widely used in unsupervised Bayesian hidden discrete data restoration. They are very robust and, in spite of their simplicity, they are sufficiently efficient in many situations. In particular for image segmentation, despite their mono-dimensional nature, they are able, through a transformation of the bi-dimensional images into mono-dimensional sequences with Peano scan (PS), to give satisfying results. However, sometimes, more complex models such as hidden Markov fields (HMF) may be preferred in spite of their increased time complexity, for their better results. Moreover, hidden Markov models (the chains as well as the fields) have been extended to pairwise and triplet Markov models, which can be of interest in more complex situations. For example, when sojourn time in hidden states is not geometrical, hidden semi-Markov (HSMC) chains tend to perform better than HMC, and such is also the case for hidden evidential Markov chains (HEMC) when data are non-stationary. In this thesis, we first propose a new triplet Markov chain (TMC), which simultaneously extends HSMC and HEMC. Based on hidden triplet Markov chains (HTMC), the new hidden evidential semi-Markov chain (HESMC) model can be used in unsupervised framework, parameters being estimated with Expectation-Maximization (EM) algorithm. We validate its interest through some experiments on synthetic data. Then we address the problem of mono-dimensionality of the HMC with PS model in image segmentation by introducing the “contextual” Peano scan (CPS). It consists in associating to each index in the HMC obtained from PS, two observations on pixels which are neighbors of the pixel considered in the image, but are not its neighbors in the HMC. This gives three observations on each point of the Peano scan, which leads to a new conditional Markov chain (CMC) with a more complex structure, but whose posterior law is still Markovian. Therefore, we can apply the usual parameter estimation method: Stochastic Expectation-Maximization (SEM), as well as study unsupervised segmentation Marginal Posterior Mode (MPM) so obtained. The CMC with CPS based supervised and unsupervised MPM are compared to the classic scan based HMC-PS and the HMF through experiments on artificial images. They improve notably the former, and can even compete with the latter. Finally, we extend the CMC-CPS to Pairwise Conditional Markov (CPMC) chains and two particular triplet conditional Markov chain: evidential conditional Markov chains (CEMC) and conditional semi-Markov chains (CSMC). For each of these extensions, we show through experiments on artificial images that these models can improve notably their non conditional counterpart, as well as the CMC with CPS, and can even compete with the HMF. Beside they allow the generality of markovian triplets to better play its part in image segmentation, while avoiding the substantial time complexity of triplet Markov fields.