Σχεδιασμός, Ανάπτυξη και Αξιολόγηση Μοντέλων Εμφάνισης με Εφαρμογή στην Οπτική Παρακολούθηση - Τσιρώνης, Βασίλειος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, 2017)
Τα τελευταία χρόνια στην επιστήμη της Όρασης Υπολογιστών έχει πραγματοποιηθεί αξιοσημείωτη πρόοδος σε πολλά επιμέρους πεδία, επιτρέποντας την επιτυχημένη υλοποίηση πολλών εφαρμογών με σημαντική πολυπλοκότητα. Σε πολλές από αυτές τις εφαρμογές χρησιμοποιούνται μοντέλα που περιγράφουν χωρικά και φασματικά την εμφάνιση των αντικειμένων ενδιαφέροντος, όπως μοντέλα εμφάνισης ανθρώπων. Η παρούσα εργασία επικεντρώθηκε αρχικά στην βιβλιογραφική έρευνα για τα μοντέλα εμφάνισης, τη χρησιμότητα και αξιοποίησή τους, καθώς και την ανάπτυξη και αξιολόγηση πρωτότυπων μοντέλων εμφάνισης για την περιγραφή ανθρώπων ή αντικειμένων. Όσον αφορά το πρώτο σκέλος, γίνεται ρητή αναφορά σε πολλαπλές δυνατές κατηγοριοποιήσεις των μοντέλων εμφάνισης τόσο βάσει της διαχωριστικής τους ικανότητας, όσο και βάσει της μεθοδολογίας που ακολουθούν για να περιγράψουν την εκάστοτε εμφάνιση. Επιπλέον, παρουσιάζονται διάφορες και ποικίλες εφαρμογές των μοντέλων εμφάνισης, όπως αυτές συναντώνται στη βιβλιογραφία, ενώ αναπτύσσεται ένα στιβαρό πλαίσιο τόσο για το θεωρητικό υπόβαθρο για τις μεθοδολογίες που αξιοποιεί πιθανώς ένα μοντέλο, όσο και για την αξιολόγηση των μοντέλων εμφάνισης. Στο δεύτερο σκέλος παρουσιάζονται τρία πρωτότυπα μοντέλα εμφάνισης. Ως εφαρμογή αναφοράς των συγκεκριμένων μοντέλων επιλέγεται η οπτική παρακολούθηση (visual tracking), γεγονός που απαιτεί από τα αναπτυχθέντα μοντέλα να παρουσιάζουν υψηλή διακριτική ικανότητα μεταξύ ομοειδών αντικειμένων. Το κύριο μοντέλο που αναπτύσσεται βασίζεται στην περιγραφή της εμφάνισης του ανθρώπου (ή του εκάστοτε αντικειμένου) τόσο με τη χρήση της χρωματικής πληροφορίας, όσο και με την ενσωμάτωση χωρικών στοιχείων στην περιγραφή. Η αναπαράσταση της χρωματικής πληροφορίας στον κατάλληλο χώρο χρώματος (CIELab) είναι κρίσιμη καθώς απαιτείται, θεωρητικά, η ομοιομορφία των χρωματικοτήτων. Η χωρική πληροφορία ενσωματώνεται στην περιγραφή υπό την έννοια της γραμμικής χωρικής αναφοράς που δίνεται σε κάθε στοιχείο ομοιόμορφης χρωματικής πληροφορίας. Τελικά, το αποτέλεσμα της άνωθεν περιγραφής δεν είναι παρά ένα 3Δ νέφος σημείων σε ένα 3Δ χώρο που δη-μιουργείται από 2 χρωματικές και μία χωρική συνιστώσα. Τα έτερα δύο μοντέλα που αναπτύχθηκαν αποτελούν παραλλαγές του αρχικού ώστε να προκύπτει τελικά ένας διανυσματικός περιγραφέας. Το μεν χρησιμοποιεί κατάλληλη χωρική διαμέριση και την έννοια του χρωματικού μέσου για να παραγάγει ένα σχετικά περιορισμένου μήκους διάνυσμα περιγραφής, ενώ το δε στηρίζεται στη διαμέριση του πλήρους 3Δ χώρου, με διαφορετικά εύρη κβάντισης, όμως, για τη χωρική και τις χρωματικές συνιστώσες. Τελικά και στις δύο περιπτώσεις προκύπτει μία διανυσματική περιγραφή της εμφάνισης του εκάστοτε ανθρώπου, γεγονός που καθιστά τα δύο αυτά μοντέλα ως άμεσα αξιοποιήσιμα και εφαρμόσιμα σε αλγορίθμους οπτικής παρακολούθησης, σε αντίθεση με το πρώτο (μη διανυσματικό) μοντέλο που αναπτύχθηκε. Το τελευταίο κομμάτι της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτελούν η αξιολόγηση των μοντέλων και η εξαγωγή ειδικότερων και γενικότερων συμπερασμάτων. Όσον αφορά την αξιολόγηση ακολουθείται μία ιεραρχική δομή πειραμάτων με κλιμακούμενη πολυπλοκότητα. Τελικά τα μοντέλα δοκιμάζονται σε ένα πραγματικό σύστημα οπτικής παρακολούθησης πολλαπλών αντικειμένων με τα αποτελέσματα να αναδεικνύουν τη σημαντικότητα των μοντέλων. Η μεθοδολογία της αξιολόγησης στηρίζεται σε ευρέως χρησιμοποιούμενες μετρικές σφάλματος για την περίπτωση των διανυσματικών περιγραφέων, ενώ για το πρωταρχικό μοντέλο αναπτύσσεται μία σειρά μετρικών ώστε να αντιμετωπισθεί η (μη διανυσματική) φύση του ως 3Δ σημειοσυνόλου. Στο τελευταίο κεφάλαιο εξάγονται συμπεράσματα τόσο για την άμεση χρησιμότητα των μοντέλων εμφάνισης όσο και για τις μελλοντικές κατευθύνσεις του κλάδου.