The approximate nearest neighbor(ANN) search over high dimensional data has become an unavoidable service for online applications. Fast and high-quality results of unknown queries are the largest challenge that most algorithms faced with. Locality Sensitive Hashing(LSH) is a well-known ANN search algorithm while suffers from inefficient index structure, poor accuracy in distributed scheme. The traditional index structures have most significant bits(MSB) problem, which is their indexing strategies have an implicit assumption that the bits from one direction in the hash value have higher priority. In this thesis, we propose a new content-based index called Random Draw Forest(RDF), which not only uses an adaptive tree structure by applying the dynamic length of compound hash functions to meet the different cardinality of data, but also applies the shuffling permutations to solve the MSB problem in the traditional LSH-based index. To raise the accuracy in the distributed scheme, we design a variable steps lookup strategy to search the multiple step sub-indexes which are most likely to hold the mistakenly partitioned similar objects. By analyzing the index, we show that RDF has a higher probability to retrieve the similar objects compare to the original index structure. In the experiment, we first learn the performance of different hash functions, then we show the effect of parameters in RDF and the performance of RDF compared with other LSH-based methods to meet the ANN search. / Thesis / Master of Science (MSc)

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第21390号 / 情博第676号 / 新制||情||117(附属図書館) / 京都大学大学院情報学研究科知能情報学専攻 / (主査)教授 鹿島 久嗣, 教授 山本 章博, 教授 下平 英寿 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

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Local feature detection and its applications in different problems are quite popular in vision research. In order to analyze a scene, its invariant features, which are distinguishable in many views of this scene, are used in pose estimation, object detection and augmented reality. However, required performance metrics might change according to the application type / in general, the main metrics are accepted as accuracy and computational complexity. The contributions in this thesis provide improving these metrics and can be divided into three parts, as local feature detection, local feature description and description matching in different views of the same scene. In this thesis an efficient feature detection algorithm with sufficient repeatability performance is proposed. This detection method is convenient for real-time applications. For local description, a novel local binary pattern outperforming state-of-the-art binary pattern is proposed. As a final task, a fuzzy decision tree method is presented for approximate nearest neighbor search. In all parts of the system, computational efficiency is considered and the algorithms are designed according to limited processing time. Finally, an overall system capable of matching different views of the same scene has been proposed and executed in a mobile platform. The results are quite promising such that the presented system can be used in real-time applications, such as augmented reality, object retrieval, object tracking and pose estimation.

Avec l’évolution des technologies numériques et la prolifération d'internet, la quantité d’information numérique a considérablement évolué. La recherche par similarité (ou recherche des plus proches voisins) est une problématique que plusieurs communautés de recherche ont tenté de résoudre. Les systèmes de recherche par le contenu de l’information constituent l’une des solutions prometteuses à ce problème. Ces systèmes sont composés essentiellement de trois unités fondamentales, une unité de représentation des données pour l’extraction des primitives, une unité d’indexation multidimensionnelle pour la structuration de l’espace des primitives, et une unité de recherche des plus proches voisins pour la recherche des informations similaires. L’information (image, texte, audio, vidéo) peut être représentée par un vecteur multidimensionnel décrivant le contenu global des données d’entrée. La deuxième unité consiste à structurer l’espace des primitives dans une structure d’index, où la troisième unité -la recherche par similarité- est effective.Dans nos travaux de recherche, nous proposons trois systèmes de recherche par le contenu de plus proches voisins. Les trois approches sont non supervisées, et donc adaptées aux données étiquetées et non étiquetées. Elles sont basées sur le concept du hachage pour une recherche efficace multidimensionnelle des plus proches voisins. Contrairement aux approches de hachage existantes, qui sont binaires, les approches proposées fournissent des structures d’index avec un hachage réel. Bien que les approches de hachage binaires fournissent un bon compromis qualité-temps de calcul, leurs performances en termes de qualité (précision) se dégradent en raison de la perte d’information lors du processus de binarisation. À l'opposé, les approches de hachage réel fournissent une bonne qualité de recherche avec une meilleure approximation de l’espace d’origine, mais induisent en général un surcoût en temps de calcul.Ce dernier problème est abordé dans la troisième contribution. Les approches proposées sont classifiées en deux catégories, superficielle et profonde. Dans la première catégorie, on propose deux techniques de hachage superficiel, intitulées Symmetries of the Cube Locality sensitive hashing (SC-LSH) et Cluster-Based Data Oriented Hashing (CDOH), fondées respectivement sur le hachage aléatoire et l’apprentissage statistique superficiel. SCLSH propose une solution au problème de l’espace mémoire rencontré par la plupart des approches de hachage aléatoire, en considérant un hachage semi-aléatoire réduisant partiellement l’effet aléatoire, et donc l’espace mémoire, de ces dernières, tout en préservant leur efficacité pour la structuration des espaces hétérogènes. La seconde technique, CDOH, propose d’éliminer l’effet aléatoire en combinant des techniques d’apprentissage non-supervisé avec le concept de hachage. CDOH fournit de meilleures performances en temps de calcul, en espace mémoire et en qualité de recherche.La troisième contribution est une approche de hachage basée sur les réseaux de neurones profonds appelée "Unsupervised Deep Neuron-per-Neuron Hashing" (UDN2H). UDN2H propose une indexation individuelle de la sortie de chaque neurone de la couche centrale d’un modèle non supervisé. Ce dernier est un auto-encodeur profond capturant une structure individuelle de haut niveau de chaque neurone de sortie.Nos trois approches, SC-LSH, CDOH et UDN2H, ont été proposées séquentiellement durant cette thèse, avec un niveau croissant, en termes de la complexité des modèles développés, et en termes de la qualité de recherche obtenue sur de grandes bases de données d'information / The amount of media data is growing at high speed with the fast growth of Internet and media resources. Performing an efficient similarity (nearest neighbor) search in such a large collection of data is a very challenging problem that the scientific community has been attempting to tackle. One of the most promising solutions to this fundamental problem is Content-Based Media Retrieval (CBMR) systems. The latter are search systems that perform the retrieval task in large media databases based on the content of the data. CBMR systems consist essentially of three major units, a Data Representation unit for feature representation learning, a Multidimensional Indexing unit for structuring the resulting feature space, and a Nearest Neighbor Search unit to perform efficient search. Media data (i.e. image, text, audio, video, etc.) can be represented by meaningful numeric information (i.e. multidimensional vector), called Feature Description, describing the overall content of the input data. The task of the second unit is to structure the resulting feature descriptor space into an index structure, where the third unit, effective nearest neighbor search, is performed.In this work, we address the problem of nearest neighbor search by proposing three Content-Based Media Retrieval approaches. Our three approaches are unsupervised, and thus can adapt to both labeled and unlabeled real-world datasets. They are based on a hashing indexing scheme to perform effective high dimensional nearest neighbor search. Unlike most recent existing hashing approaches, which favor indexing in Hamming space, our proposed methods provide index structures adapted to a real-space mapping. Although Hamming-based hashing methods achieve good accuracy-speed tradeoff, their accuracy drops owing to information loss during the binarization process. By contrast, real-space hashing approaches provide a more accurate approximation in the mapped real-space as they avoid the hard binary approximations.Our proposed approaches can be classified into shallow and deep approaches. In the former category, we propose two shallow hashing-based approaches namely, "Symmetries of the Cube Locality Sensitive Hashing" (SC-LSH) and "Cluster-based Data Oriented Hashing" (CDOH), based respectively on randomized-hashing and shallow learning-to-hash schemes. The SC-LSH method provides a solution to the space storage problem faced by most randomized-based hashing approaches. It consists of a semi-random scheme reducing partially the randomness effect of randomized hashing approaches, and thus the memory storage problem, while maintaining their efficiency in structuring heterogeneous spaces. The CDOH approach proposes to eliminate the randomness effect by combining machine learning techniques with the hashing concept. The CDOH outperforms the randomized hashing approaches in terms of computation time, memory space and search accuracy.The third approach is a deep learning-based hashing scheme, named "Unsupervised Deep Neuron-per-Neuron Hashing" (UDN2H). The UDN2H approach proposes to index individually the output of each neuron of the top layer of a deep unsupervised model, namely a Deep Autoencoder, with the aim of capturing the high level individual structure of each neuron output.Our three approaches, SC-LSH, CDOH and UDN2H, were proposed sequentially as the thesis was progressing, with an increasing level of complexity in terms of the developed models, and in terms of the effectiveness and the performances obtained on large real-world datasets

Les caractéristiques locales sont essentielles dans de nombreux domaines de l’analyse d’images comme la détection et la reconnaissance d’objets, la recherche d’images, etc. Ces dernières années, plusieurs détecteurs dits locaux ont été proposés pour extraire de telles caractéristiques. Ces détecteurs locaux fonctionnent généralement bien pour certaines applications, mais pas pour toutes. Prenons, par exemple, une application de recherche dans une large base d’images. Dans ce cas, un détecteur à base de caractéristiques binaires pourrait être préféré à un autre exploitant des valeurs réelles. En effet, la précision des résultats de recherche pourrait être moins bonne tout en restant raisonnable, mais probablement avec un temps de réponse beaucoup plus court. En général, les détecteurs locaux sont utilisés en combinaison avec une méthode d’indexation. En effet, une méthode d’indexation devient nécessaire dans le cas où les ensembles de points traités sont composés de milliards de points, où chaque point est représenté par un vecteur de caractéristiques de grande dimension. / Local features are of central importance to deal with many different problems in image analysis and understanding including image registration, object detection and recognition, image retrieval, etc. Over the years, many local detectors have been presented to detect such features. Such a local detector usually works well for some particular applications but not all. Taking an application of image retrieval in large database as an example, an efficient method for detecting binary features should be preferred to other real-valued feature detection methods. The reason is easily seen: it is expected to have a reasonable precision of retrieval results but the time response must be as fast as possible. Generally, local features are used in combination with an indexing scheme. This is highly needed for the case where the dataset is composed of billions of data points, each of which is in a high-dimensional feature vector space.