Abstract Local binary patterns (LBP) are among the most popular image description methods and have been successfully applied in a diverse set of computer vision problems, covering texture classification, material categorization, face recognition, and image segmentation, to name only a few. The popularity of the LBP methodology can be verified by inspecting the number of existing studies about its different variations and extensions. The number of those studies is vast. Currently, the methodology has been acknowledged as one of the milestones in face recognition research. The starting point of this research is to gain more understanding of which principles the original LBP descriptor is based on. After gaining some degree of insight, yet another try is made to improve some steps of the LBP pipeline, consisted of image pre-processing, pattern sampling, pattern encoding, binning, and further histogram post-processing. The main contribution of this thesis is a bunch of novel LBP extensions that partly try to unify some of the existing derivatives and extensions. The basis for the design of the new additional LBP methodology is to maximise data-driven premises, at the same time minimizing the need for tuning by hand. Prior to local binary pattern extraction, the thesis presents an image upsampling step dubbed as image pre-interpolation. As a natural consequence of upsampling, a greater number of patterns can be extracted and binned to a histogram improving the representational performance of the final descriptor. To improve the following two steps of the LBP pipeline, namely pattern sampling and encoding, three different learning-based methods are introduced. Finally, a unifying model is presented for the last step of the LBP pipeline, namely for local binary pattern histogram post-processing. As a special case of this, a novel histogram smoothing scheme is proposed, which shares the motivation and the effects with the image pre-interpolation for the most of its part. Deriving descriptors for such face recognition problems as face verification or age estimation has been and continues to be among the most popular domains where LBP has ever been applied. This study is not an exception in that regard as the main investigations and conclusions here are made on the basis of how the proposed LBP variations perform especially in the problems of face recognition. The experimental part of the study demonstrates that the proposed methods, experimentally validated using publicly available texture and face datasets, yield results comparable to the best performing LBP variants found in the literature, reported with the corresponding benchmarks. / Tiivistelmä Paikalliset binäärikuviot kuuluvat suosituimpiin menetelmiin kuville suoritettavassa piirteenirrotuksessa. Menetelmää on sovellettu moniin konenäön ongelmiin, kuten tekstuurien luokittelu, materiaalien luokittelu, kasvojen tunnistus ja kuvien segmentointi. Menetelmän suosiota kuvastaa hyvin siitä kehitettyjen erilaisten johdannaisten suuri lukumäärä ja se, että nykyään kyseinen menetelmien perhe on tunnustettu yhdeksi virstanpylvääksi kasvojentunnistuksen tutkimusalueella. Tämän tutkimuksen lähtökohtana on ymmärtää periaatteita, joihin tehokkaimpien paikallisten binäärikuvioiden suorituskyky perustuu. Tämän jälkeen tavoitteena on kehittää parannuksia menetelmän eri askelille, joita ovat kuvan esikäsittely, binäärikuvioiden näytteistys ja enkoodaus, sekä histogrammin koostaminen ja jälkikäsittely. Esiteltävien uusien menetelmien lähtökohtana on hyödyntää mahdollisimman paljon kohdesovelluksesta saatavaa tietoa automaattisesti. Ensimmäisenä menetelmänä esitellään kuvan ylösnäytteistykseen perustuva paikallisten binäärikuvioiden johdannainen. Ylösnäytteistyksen luonnollisena seurauksena saadaan näytteistettyä enemmän binäärikuvioita, jotka histogrammiin koottuna tekevät piirrevektorista alkuperäistä erottelevamman. Seuraavaksi esitellään kolme oppimiseen perustuvaa menetelmää paikallisten binäärikuvioiden laskemiseksi ja niiden enkoodaukseen. Lopuksi esitellään paikallisten binäärikuvioiden histogrammin jälkikäsittelyn yleistävä malli. Tähän malliin liittyen esitellään histogrammin silottamiseen tarkoitettu operaatio, jonka eräs tärkeimmistä motivaatioista on sama kuin kuvan ylösnäytteistämiseen perustuvalla johdannaisella. Erilaisten piirteenirrotusmenetelmien kehittäminen kasvojentunnistuksen osa-alueille on erittäin suosittu paikallisten binäärikuvioiden sovellusalue. Myös tässä työssä tutkittiin miten kehitetyt johdannaiset suoriutuvat näissä osa-ongelmissa. Tutkimuksen kokeellinen osuus ja siihen liittyvät numeeriset tulokset osoittavat, että esitellyt menetelmät ovat vertailukelpoisia kirjallisuudesta löytyvien parhaimpien paikallisten binäärikuvioiden johdannaisten kanssa.