Doctoral Thesis

Image Edge Detection Using Convex Optimisation

Final Thesis 4.45 MB Summary of Thesis 715.48 kB

Author of thesis: Ing. Michaela Novosadová, Ph.D.

Acad. year: 2022/2023

Supervisor: prof. Mgr. Pavel Rajmic, Ph.D.

Reviewers: doc. Ing. Otto Dostál, CSc., doc. Ing. Rastislav Róka, Ph.D.

Abstract:

Image edge detection is one of the most important techniques in digital image processing. It is used, among other things, as the first step of image segmentation. Therefore, it remains an area of interest for researchers trying to develop ever-better detection approaches. The main objective of this Thesis is to find a suitable method for image edge detection using convex optimisation. The proposed method is based on sparse modelling, and its main part is formulated as a convex optimisation problem solved by proximal algorithms. For defining the optimisation problem, it is assumed that the signal can be modelled as an over-parametrised, piecewise-polynomial signal that consists of disjoint segments. The number of these segments is significantly smaller than the number of signal samples, which encourages the use of sparsity. The formulation of a suitable optimisation problem is first performed on one-dimensional signals since the implementation and comparison of the different algorithms is significantly easier and less time-consuming for one-dimensional signals than two-dimensional ones.

The first part of the Thesis introduces the basic theory in signal processing, sparsity, convex optimisation and proximal algorithms. It also presents a cross-section of the methods used for image edge detection. The second part of the Thesis focuses on the formulation and the subsequent evaluation of individual optimisation problems for the segmentation of one-dimensional synthetic signals corrupted by noise. The evaluation is conducted in terms of both denoising and breakpoint detection accuracy. The last part of the Thesis is dedicated to expanding the best-performing approach for breakpoint detection in one-dimensional signals for the application to image edge detection. The proposed approach is tested on a standardised dataset of images containing manually labelled edges of several subjects. The results of the proposed method are evaluated using precision-recall curves and their maximum F-measure score, and then compared with other edge detection methods.

Keywords:

Signal segmentation, image edge detection, convex optimisation, proximal splitting algorithm, proximal operator, sparsity, total variation, gradient

Date of defence

05.04.2023

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Oba posudky oponentů jsou kladné, jádro disertační práce bylo publikováno na mezinárodní úrovni. Téma disertační práce je společensky významné a na aktuální téma.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Teleinformatics (DKC-TLI)

Composition of Committee

prof. Ing. Zdeněk Smékal, CSc. (předseda)
prof. Ing. Jaroslav Koton, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Kamil Říha, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Radim Burget, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Rastislav Róka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Otto Dostál, CSc. (člen)

Supervisor’s report
prof. Mgr. Pavel Rajmic, Ph.D.

Ing. Michaela Novosadová hned od začátku studovala v kombinované formě studia, při zaměstnání. To je jeden z důvodů, proč dokončení dizertace trvalo více než osm let. Studentka sice pracovala s drobnými přetržkami, ale houževnatě a systematicky.

Práci lze pochválit za originální přístup: studentka hledá hrany v obraze pomocí přeurčených polynomiálních modelů a konvexní optimalizace, o což se nikdo jiný nepokusil, nakolik je mi známo. Dalším kladem práce je použití angličtiny, která je na solidní úrovni.

Studentčiny výsledky sice zastínily několik základních metod hranové detekce, nicméně nejúčinnější metody na bázi hlubokého učení zůstaly nepřekonány. Je nutno říct, že ve finálním srovnávání byla studentka handicapována tím, že její metoda neobsahovala postprocessing, který u nejlepších metod zlepšuje výsledky detekce. Z tohoto hlediska je práce metodologicky nedotažená. Práce je poměrně dlouhá a některé pasáže se možná až zbytečně opakují.

Ing. Novosadová během svého studia publikovala několik článků v impaktovaných časopisech a na mezinárodních konferencích. V letech 2016 až 2018 byla členkou týmu GAČR projektu.

Předložená disertační práce i přes výše uvedené výtky splňuje požadavky na disertační práci a proto ji doporučuji k obhajobě.
Display more

Reviewer’s report
doc. Ing. Otto Dostál, CSc.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 1,63 MB

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 389,72 kB