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하이퍼그래프 모델 기반의 장면 이미지 분류 기법
Hypergraph model based Scene Image Classification Method 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.24 no.2, 2014년, pp.166 - 172  

최선욱 (인하대학교 정보통신공학과) ,  이종호 (인하대학교 정보통신공학과)

초록
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이미지를 각각의 카테고리로 분류하는 일은 컴퓨터 비전 분야의 중요한 문제 중 하나이다. 그러나 이미지에 존재하는 가변성, 모호성, 스케일 문제 등으로 인해 매우 도전적인 문제라고 할 수 있다. 본 논문에서는 장면 이미지를 구성하는 시멘틱 속성들의 고차원의 상호작용 관계를 고려 가능한 하이퍼그래프 기반의 모델링 기법을 제시하고 이를 장면 이미지 분류에 적용한다. 각 장면 카테고리에 준최적화된 하이퍼그래프를 생성하기 위해 확률 부분공간 기법에 기반을 둔 탐색기법을 제안하고, 이들 부분 공간 내에 속한 시멘틱 속성들의 발현량을 축약하기 위한 우도비 기반의 선형 변환 기법을 제안한다. 제안한 기법의 우수성을 검증하기 위한 실험을 통하여 제시한 기법을 통해 생성된 특징 벡터의 분별력이 기존의 기법들에서 사용된 특징 벡터들의 분별력보다 우수함을 보인다. 또한 제안한 기법을 장면 분류 데이터에 적용한 결과 기존의 기법들과 비교하여 경쟁력 있는 분류 성능을 보인다. 제안 한 기법은 이미지 분류에서 일반적으로 사용 되는 기법인 BoW+SPM 모델과 비교하여 3~4%이상의 성능 향상을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Image classification is an important problem in computer vision. However, it is a very challenging problem due to the variability, ambiguity and scale change that exists in images. In this paper, we propose a method of a hypergraph based modeling can consider the higher-order relationships of semant...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • SD 이론에 따르면, 부분집합들의 생성 수가 많아질수록 본래 데이터의 분포를 잘 근사 할 수 있다. 그러나 이를 위해서는 많은 비용이 따르기 때문에, 본 논문에서는 좀 더 효율적으로 해당 모델을 근사 할 수 있는 특징 부분집합들을 탐색하기 위한 기법을 제안한다. 또한 생성된 하이퍼그래프를 분류에 이용하기 위해 우리는 분류 모델(discriminative model)을 사용한다.
  • 본 논문에서는 각 특징들의 중요도에 기반을 두어 효율적으로 부분집합 생성이 가능한 확률적 부분집합 탐색 기법 PSM(probabilistic subset method)을 제안한다. PSM을 이용하여 장면 분류를 위한 시멘틱 속성들의 부분집합을 생성하기 위해서, 먼저 각 속성들의 중요도를 측정 할 필요가 있다.
  • 본 논문에서는 장면 이미지 분류 문제에 있어서 시멘틱 속성들을 개별적으로 고려하는 경우 발생할 수 있는 측정 잡음 및 모호성 문제 등을 해결하기 위해, 각 카테고리에 준최적화된 속성 부분 집합(하이퍼에지) 기반의 하이퍼그래프를 생성하고, 이를 장면분류에 활용하는 기법을 제안하였다. 하이퍼그래프 기반의 표현 방법을 통해 특정 장면 카테고리에서 발생하는 시멘틱 속성들의 고차원의 상호작용 관계를 고려한 분석이 가능해진다.
  • 하이퍼그래프 기반의 표현 방법을 통해 특정 장면 카테고리에서 발생하는 시멘틱 속성들의 고차원의 상호작용 관계를 고려한 분석이 가능해진다. 본 논문에서는 학습을 통해 생성된 하이퍼그래프를 장면 분류에 적용하기 위해 분류 모델과 결합하는 기법을 제안하였다. 이를 통해 SVM 등 기존에 여러 분야에서 활용되어 성능이 입증된 분류기를 활용하는 것이 가능하였다.
  • 이를 위해서는 하이퍼그래프로부터 새로운 특징 벡터의 생성이 필요한데, 따라서 탐색된 각 하이퍼에지들을 구성하는 각 멤버 속성들의 발현 값을 요약하는 기법을 사용할 필요가 있다. 이를 위해 본 논문에서는 각 특징들의 클래스 별 조건부 확률 분포에서의 우도비(likelihood ratio)를 이용하는 요약 기법을 제시한다.
  • 학습 된 하이퍼그래프를 기반으로 장면 분류에 적용하기 위해 분류 모델(discriminative model)을 사용한다. 이를 위해서는 학습 데이터와 테스트 데이터에 대한 각각의 특징 벡터를 생성할 필요가 있는데, 본 논문에서는 우도비 기반의 요약 기법을 사용한 특징 벡터 생성 기법을 제안한다.

가설 설정

  • T-test을 이용하여 positive와 negative 클래스 두 그룹에 속한 특징들의 모집단의 모평균이 같을 것이라고 가정하는 귀무가설(null hypothesis) H0 : μp = μn를 기각 할 수 있는 확률인 p-value를 계산 할 수 있다.
  • 이는 해당 시멘틱 속성의 발현 값이 어떤 클래스에서 발생했을 가능성이 높은지에 대한 확률을 의미한다. 이를 위해 본 논문에서는 각 클래스에서의 시멘틱 속성의 발현 값이 평균 #, 표준편차 #의 값을 갖는 정규분포를 따른다고 가정한다. 이들 파라미터는 학습 데이터로부터 예측 한 값을 이용한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기존의 그래프 기반의 모델링 기법은 어떤 어려움이 있는가? 시멘틱 속성들 사이의 상호작용을 표현해내기 위해 일반 적으로 고려할만한 기법은 그래프 기반의 모델링 기법이라 할 수 있다. 하지만 기존의 그래프 기반의 기법들은 노드와 노드의 단일 상호작용들의 결합으로만 나타낼 수 있다는 한계가 있기 때문에 시멘틱 속성들에서의 고차원의 상호작용 특성을 온전히 표현해내는데 어려움이 있다.
이미지 상에서 나타나는 시멘틱 속성이란 무엇인가? 최근 보다 높은 수준의 문맥 정보(contextual information)를 분류에 활용하기 위해 이미지 내에 존재하는 시멘틱 속성(semantic attribute) 등을 이용하는 연구가 활발히 진행 중에 있다[4,5]. 이미지 상에서 나타나는 시멘틱 속성들은 매우 직관적인 것으로 장면을 구성하는 각 사물들을 의미하거나 혹은 하나의 물체를 구성하는 특정한 부분 (구성 물질 혹은 특성)들을 의미하는 것이기도 하다. 이러한 시멘틱 속성들은 일반적으로 이미지 내에서 고차원의 상호 작용을 하며 나타나는 특성들이 있는데, 특히 이러한 특성은 장면 이미지들에서 더욱 두드러지게 나타난다.
이미지에는 어떤 문제가 존재하는가? 이미지를 각각의 카테고리로 분류하는 일은 컴퓨터 비전 분야의 중요한 문제 중 하나이다. 그러나 이미지에 존재하는 가변성, 모호성, 스케일 문제 등으로 인해 매우 도전적인 문제라고 할 수 있다. 본 논문에서는 장면 이미지를 구성하는 시멘틱 속성들의 고차원의 상호작용 관계를 고려 가능한 하이퍼그래프 기반의 모델링 기법을 제시하고 이를 장면 이미지 분류에 적용한다.
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참고문헌 (15)

  1. A. Bosch, A. Zisserman, X. Munoz, "Scene Classification Using a Hybrid Generative /Discriminative Approach," IEEE Trans. PAMI ., 30(4), pp.712-727, 2008. 

  2. J. Sivic, A. Zisserman, "Video google: A text retrieval approach to object matching in videos," In: Proc. ICCV, 2003. 

  3. L. Fei-Fei, P. Perona, "A bayesian hierarchical model for learning natural scene categories," In: Proc. CVPR, 2005. 

  4. L. Li, H. Su, E. Xing, Li Fei-Fei, "Object bank: a high-Level image representation for scene classification and semantic feature sparsification," In: Proc. NIPS, 2010. 

  5. Yu Su, F. Jurie, "Improving Image Classification Using Semantic Attributes," International Journal of Computer Vision, 100(1), pp.59-77, 2012. 

  6. Vitaly I. Voloshin. "Introduction to Graph and Hypergraph Theory," Nova Science Publishers, Inc., 2009. 

  7. E. M. Kleinberg, "Stochastic Discrimination," Annals of Mathematics and Artificial Intelligence, pp.207-239, 1990. 

  8. Tin Kam Ho, "The Random Subspace Method for Constructing Decision Forests," IEEE Trans. PAMI., 20(8), pp.832-844, 1998. 

  9. C. Ding, H. Peng, "Minimum redundancy feature selection from microarray gene expression data," Journal of Bioinformatics and Computational Biology, vol.3(2), pp.185-205, 2005. 

  10. Y. Lu, PY. Liu, P. Xiao, HW. Deng, "Hotelling's T2 multivariate profiling for detecting differential expression in microarrays," Bioinformatics, 21, pp.3105-3113, 2005. 

  11. S. Lazebnik, C. Schmid, J. Ponce, "Beyond bags of features: Spatial pyramid matching for recognizing natural scene categories," In: Proc. CVPR, 2006. 

  12. O. Chapelle, P. Haffner, V. Vapnik, "Support vector machines for histogram-based image classification," IEEE Trans. Neural Networks, 10(5), pp.1055-1064, 1999. 

  13. Jonh-Tae Joo, Dae-Wook Kim, Kwee-Bo Sim, "Pattern Classification Algorithm of DNA Chip Image using ANN," Journal of The Korean Institute of Intelligent Systems, No.16, Vol.5, pp.556-561, 2006. 

  14. Yoon-Cheol Shin, Young-Hun Park, Hoon Kang, "Image Pattern Classification and Recognition by Using the Associative Memory with Cellular Neural Networks," Journal of The Korean Institute of Intelligent Systems, No.13, Vol.2, pp.154-162, 2003. 

  15. Hyung Lee-Kwang, Gil Rok Oh, Choong Ho Cho, "Fuzzy Hypergraph," Journal of The Korean Institute of Intelligent Systems, No.4 Vol.2, pp.3-8, 1994. 

저자의 다른 논문 :

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