Apprentissage de modèles de géométrie stochastique et réseaux de neurones convolutifs. Application à la détection d'objets multiples dans des jeux de données aérospatiales

Learning stochastic geometry models and convolutional neural networks. Application to multiple object detection in aerospatial data sets

• Auteur / Autrice : Jules Mabon
• Direction : Josiane Zerubia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Descombes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Josiane Zerubia, Xavier Descombes, Alin Achim, Yann Gousseau, Pierre Chainais, Mathias Ortner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alin Achim, Yann Gousseau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage automatique

Réseaux neuronaux (informatique)

Imagerie satellitaire

Reconnaissance d'objets (informatique)

Géométrie stochastique

Mots clés libres

Géométrie stochastique

Modèles à base d'énergies

Détection

Objets multiples

Images satellitaires

Très haute résolution

Stochastic geometry

Energy based models

Detection

Multiple objects

Satellite images

Very high resolution

Résumé

Les drones et les satellites en orbite basse, dont les CubeSats, sont de plus en plus utilisés pour la surveillance, générant d'importantes masses de données à traiter. L'acquisition d'images satellitaires est sujette aux perturbations atmosphériques, aux occlusions et à une résolution limitée. Pour détecter de petits objets, l'information visuelle est limitée. Cependant, les objets d'intérêt (comme les petits véhicules) ne sont pas uniformément répartis dans l'image, présentant des configurations spécifiques.Ces dernières années, les Réseaux de Neurones Convolutifs (CNN) ont montré des compétences remarquables pour extraire des informations, en particulier les textures. Cependant, modéliser les interactions entre objets nécessite une complexité accrue. Les CNN considèrent généralement les interactions lors d'une étape de post-traitement.En revanche, les processus ponctuels permettent de modéliser la vraisemblance des points par rapport à l'image et leurs interactions simultanément. La plupart des modèles stochastiques utilisent des mesures de contraste pour la correspondance à l'image ; elles sont adaptées aux objets à contraste fort et faible complexité du fond. Cependant, les petits véhicules sur les images satellitaires présentent divers niveaux de contraste et une grande variété d'objets de fond et de fausses alarmes.Cette thèse de doctorat propose d'utiliser les CNN pour l'extraction d'informations, combinées aux processus ponctuels pour modéliser les interactions, en utilisant les sorties CNN comme données. De plus, nous introduisons une méthode unifiée pour estimer les paramètres du modèle de processus ponctuel. Nos résultats montrent l'efficacité de ce modèle sur plusieurs jeux de données de télédétection, avec régularisation géométrique et robustesse accrue pour un nombre limité de paramètres.

Unmanned aerial vehicles and low-orbit satellites, including CubeSats, are increasingly used for wide-area surveillance, generating substantial data for processing. Satellite imagery acquisition is susceptible to atmospheric disruptions, occlusions, and limited resolution, resulting in limited visual data for small object detection. However, the objects of interest (e.g., small vehicles) are unevenly distributed in the image: there are some priors on the structure of the configurations.In recent years, convolutional neural network (CNN) models have excelled at extracting information from images, especially texture details. Yet, modeling object interactions requires a significant increase in model complexity and parameters. CNN models generally treat interaction as a post-processing step.In contrast, point processes aim to simultaneously model each point's likelihood in relation to the image (data term) and their interactions (prior term). Most point process models rely on contrast measures (foreground vs. background) for their data terms, which work well with clearly contrasted objects and minimal background clutter. However, small vehicles in satellite images exhibit varying contrast levels and a diverse range of background and false alarm objects.In this PhD thesis, we propose harnessing CNN models information extraction abilities in combination with point process interaction models, using CNN outputs as data terms. Additionally, we introduce a unified method for estimating point process model parameters. Our model demonstrates excellent performance on multiple remote sensing datasets, providing geometric regularization and enhanced noise robustness, all with a minimal parameter footprint.