Image segmentation is an essential tool to enhance the ability of computer systems to efficiently perform elementary cognitive tasks such as detection, recognition and tracking. In this thesis we concentrate on the investigation of two fundamental topics in the context of image segmentation: spectral clustering and seeded image segmentation. We introduce two new algorithms for those topics that, in summary, rely on Laplacian-based operators, spectral graph theory, and minimization of energy functionals. The effectiveness of both segmentation algorithms is verified by visually evaluating the resulting partitions against state-of-the-art methods as well as through a variety of quantitative measures typically employed as benchmark by the image segmentation community. Our spectral-based segmentation algorithm combines image decomposition, similarity metrics, and spectral graph theory into a concise and powerful framework. An image decomposition is performed to split the input image into texture and cartoon components. Then, an affinity graph is generated and weights are assigned to the edges of the graph according to a gradient-based inner-product function. From the eigenstructure of the affinity graph, the image is partitioned through the spectral cut of the underlying graph. Moreover, the image partitioning can be improved by changing the graph weights by sketching interactively. Visual and numerical evaluation were conducted against representative spectral-based segmentation techniques using boundary and partition quality measures in the well-known BSDS dataset. Unlike most existing seed-based methods that rely on complex mathematical formulations that typically do not guarantee unique solution for the segmentation problem while still being prone to be trapped in local minima, our segmentation approach is mathematically simple to formulate, easy-to-implement, and it guarantees to produce a unique solution. Moreover, the formulation holds an anisotropic behavior, that is, pixels sharing similar attributes are preserved closer to each other while big discontinuities are naturally imposed on the boundary between image regions, thus ensuring better fitting on object boundaries. We show that the proposed approach significantly outperforms competing techniques both quantitatively as well as qualitatively, using the classical GrabCut dataset from Microsoft as a benchmark. While most of this research concentrates on the particular problem of segmenting an image, we also develop two new techniques to address the problem of image inpainting and photo colorization. Both methods couple the developed segmentation tools with other computer vision approaches in order to operate properly. / Segmentar uma image é visto nos dias de hoje como uma prerrogativa para melhorar a capacidade de sistemas de computador para realizar tarefas complexas de natureza cognitiva tais como detecção de objetos, reconhecimento de padrões e monitoramento de alvos. Esta pesquisa de doutorado visa estudar dois temas de fundamental importância no contexto de segmentação de imagens: clusterização espectral e segmentação interativa de imagens. Foram propostos dois novos algoritmos de segmentação dentro das linhas supracitadas, os quais se baseiam em operadores do Laplaciano, teoria espectral de grafos e na minimização de funcionais de energia. A eficácia de ambos os algoritmos pode ser constatada através de avaliações visuais das segmentações originadas, como também através de medidas quantitativas computadas com base nos resultados obtidos por técnicas do estado-da-arte em segmentação de imagens. Nosso primeiro algoritmo de segmentação, o qual ´e baseado na teoria espectral de grafos, combina técnicas de decomposição de imagens e medidas de similaridade em grafos em uma única e robusta ferramenta computacional. Primeiramente, um método de decomposição de imagens é aplicado para dividir a imagem alvo em duas componentes: textura e cartoon. Em seguida, um grafo de afinidade é gerado e pesos são atribuídos às suas arestas de acordo com uma função escalar proveniente de um operador de produto interno. Com base no grafo de afinidade, a imagem é então subdividida por meio do processo de corte espectral. Além disso, o resultado da segmentação pode ser refinado de forma interativa, mudando-se, desta forma, os pesos do grafo base. Experimentos visuais e numéricos foram conduzidos tomando-se por base métodos representativos do estado-da-arte e a clássica base de dados BSDS a fim de averiguar a eficiência da metodologia proposta. Ao contrário de grande parte dos métodos existentes de segmentação interativa, os quais são modelados por formulações matemáticas complexas que normalmente não garantem solução única para o problema de segmentação, nossa segunda metodologia aqui proposta é matematicamente simples de ser interpretada, fácil de implementar e ainda garante unicidade de solução. Além disso, o método proposto possui um comportamento anisotrópico, ou seja, pixels semelhantes são preservados mais próximos uns dos outros enquanto descontinuidades bruscas são impostas entre regiões da imagem onde as bordas são mais salientes. Como no caso anterior, foram realizadas diversas avaliações qualitativas e quantitativas envolvendo nossa técnica e métodos do estado-da-arte, tomando-se como referência a base de dados GrabCut da Microsoft. Enquanto a maior parte desta pesquisa de doutorado concentra-se no problema específico de segmentar imagens, como conteúdo complementar de pesquisa foram propostas duas novas técnicas para tratar o problema de retoque digital e colorização de imagens.

Image segmentation is an essential tool to enhance the ability of computer systems to efficiently perform elementary cognitive tasks such as detection, recognition and tracking. In this thesis we concentrate on the investigation of two fundamental topics in the context of image segmentation: spectral clustering and seeded image segmentation. We introduce two new algorithms for those topics that, in summary, rely on Laplacian-based operators, spectral graph theory, and minimization of energy functionals. The effectiveness of both segmentation algorithms is verified by visually evaluating the resulting partitions against state-of-the-art methods as well as through a variety of quantitative measures typically employed as benchmark by the image segmentation community. Our spectral-based segmentation algorithm combines image decomposition, similarity metrics, and spectral graph theory into a concise and powerful framework. An image decomposition is performed to split the input image into texture and cartoon components. Then, an affinity graph is generated and weights are assigned to the edges of the graph according to a gradient-based inner-product function. From the eigenstructure of the affinity graph, the image is partitioned through the spectral cut of the underlying graph. Moreover, the image partitioning can be improved by changing the graph weights by sketching interactively. Visual and numerical evaluation were conducted against representative spectral-based segmentation techniques using boundary and partition quality measures in the well-known BSDS dataset. Unlike most existing seed-based methods that rely on complex mathematical formulations that typically do not guarantee unique solution for the segmentation problem while still being prone to be trapped in local minima, our segmentation approach is mathematically simple to formulate, easy-to-implement, and it guarantees to produce a unique solution. Moreover, the formulation holds an anisotropic behavior, that is, pixels sharing similar attributes are preserved closer to each other while big discontinuities are naturally imposed on the boundary between image regions, thus ensuring better fitting on object boundaries. We show that the proposed approach significantly outperforms competing techniques both quantitatively as well as qualitatively, using the classical GrabCut dataset from Microsoft as a benchmark. While most of this research concentrates on the particular problem of segmenting an image, we also develop two new techniques to address the problem of image inpainting and photo colorization. Both methods couple the developed segmentation tools with other computer vision approaches in order to operate properly. / Segmentar uma image é visto nos dias de hoje como uma prerrogativa para melhorar a capacidade de sistemas de computador para realizar tarefas complexas de natureza cognitiva tais como detecção de objetos, reconhecimento de padrões e monitoramento de alvos. Esta pesquisa de doutorado visa estudar dois temas de fundamental importância no contexto de segmentação de imagens: clusterização espectral e segmentação interativa de imagens. Foram propostos dois novos algoritmos de segmentação dentro das linhas supracitadas, os quais se baseiam em operadores do Laplaciano, teoria espectral de grafos e na minimização de funcionais de energia. A eficácia de ambos os algoritmos pode ser constatada através de avaliações visuais das segmentações originadas, como também através de medidas quantitativas computadas com base nos resultados obtidos por técnicas do estado-da-arte em segmentação de imagens. Nosso primeiro algoritmo de segmentação, o qual ´e baseado na teoria espectral de grafos, combina técnicas de decomposição de imagens e medidas de similaridade em grafos em uma única e robusta ferramenta computacional. Primeiramente, um método de decomposição de imagens é aplicado para dividir a imagem alvo em duas componentes: textura e cartoon. Em seguida, um grafo de afinidade é gerado e pesos são atribuídos às suas arestas de acordo com uma função escalar proveniente de um operador de produto interno. Com base no grafo de afinidade, a imagem é então subdividida por meio do processo de corte espectral. Além disso, o resultado da segmentação pode ser refinado de forma interativa, mudando-se, desta forma, os pesos do grafo base. Experimentos visuais e numéricos foram conduzidos tomando-se por base métodos representativos do estado-da-arte e a clássica base de dados BSDS a fim de averiguar a eficiência da metodologia proposta. Ao contrário de grande parte dos métodos existentes de segmentação interativa, os quais são modelados por formulações matemáticas complexas que normalmente não garantem solução única para o problema de segmentação, nossa segunda metodologia aqui proposta é matematicamente simples de ser interpretada, fácil de implementar e ainda garante unicidade de solução. Além disso, o método proposto possui um comportamento anisotrópico, ou seja, pixels semelhantes são preservados mais próximos uns dos outros enquanto descontinuidades bruscas são impostas entre regiões da imagem onde as bordas são mais salientes. Como no caso anterior, foram realizadas diversas avaliações qualitativas e quantitativas envolvendo nossa técnica e métodos do estado-da-arte, tomando-se como referência a base de dados GrabCut da Microsoft. Enquanto a maior parte desta pesquisa de doutorado concentra-se no problema específico de segmentar imagens, como conteúdo complementar de pesquisa foram propostas duas novas técnicas para tratar o problema de retoque digital e colorização de imagens.