Publications about Partial differential equation

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PhD Thesis and Habilitation

1 - Sur quelques Problèmes Inverses en Traitement d'Image. L. Blanc-Féraud. Habilitation à diriger des Recherches, Universite de Nice Sophia Antipolis, July 2000. Keywords : Partial differential equation, Restoration, Regularization, Gamma Convergence, Variational methods. @PHDTHESIS{lbf, author = {Blanc-Féraud, L.}, title = {Sur quelques Problèmes Inverses en Traitement d'Image}, year = {2000}, month = {July}, school = {Universite de Nice Sophia Antipolis}, type = {Habilitation à diriger des Recherches}, pdf = {Theses/hdr-blancf-2000.pdf}, keyword = {Partial differential equation, Restoration, Regularization, Gamma Convergence, Variational methods} } Résumé : Après une présentation générale des problèmes inverses mal posés en imagerie, les méthodes de régularisation linéaires puis non linéaires sont présentées. La préservation des discontinuités (contours d'une image) est abordée conjointement selon 3 approches: stochastique, variationnelle et EDP. Des résultats sont montrés sur plusieurs applications dont la restauration d'image optique satellitaire, la reconstruction SPECT 2D et 3D en imagerie médicale, la diffraction inverse en imagerie microonde. Nous faisons ensuite le lien entre régularisation et segmentation dans l'approche variationnelle initialement introduite par Munford et Shah. Deux modèles ont été proposé pour approcher numériquement les discontinuités dans le cadre de la régularisation : par suite de fonctionnelles "Gamma-convergentes" et par ensemble de niveaux. Après avoir considéré l'exemple de la restauration d'image, nous avons aussi développé ces deux approches pour le problème de la classification d'image satelllitaire. Enfin, le problème de l'estimation des paramètres des fonctionnnelles est abordée et une méthode d'estimation stochastique est proposée dans le cadre de la restauration d'image floue en optique satellitaire. mots cles : methodes variationelles, diffusion (EDP), problemes inverses, regularisation, discontinuites, segmentation d'image, fonctionnelle de Mumford et Shah, Gamma-convergence, ensembles de niveaux, contours actifs, estimation de parametres, methodes MCMC, restauration d'image, classification d'image, reconstruction SPECT, diffraction inverse en imagerie micro-onde. Abstract : We first describe ill-posed inverse problems in image processing, linear and nonlinear regularisation methods. Discontinuity preservation (edges of the image) is jointly presented following three approaches : stochastic, variational and by diffusion process (solving PDE's). Results are shown on several applications such as optical satellite image restoration, 2D and 3D SPECT reconstruction in medical images, inverse diffraction in microwavimages. Then we rely regularisation and segmentation problem in the variational approach as introduced by Mumford and Shah. Tow models have been proposed in order to numerically compute discontinuities in such models : by minimizing sequence of functionals which "Gamma-converge", and by using level sets models. After considering the restoration case, we have developped such methods for the problem of supervised image classification. Finally we have considered the parameter estimation problem for such fonctionnals and we describe a stochastic estimation method for the problem of satellite image restoration. Key-words : variational methods, diffusion (PDE), inverse problems, regularisation, discontinuities, image segmentation, Mumford and Shah functional, Gamma-convergence, level set methods, active contours, parameter estimation, MCMC methods, image restoration, supervised image classification, SPECT reconstruction, inverse diffraction in microwave images.

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5 Technical and Research Reports

1 - Detecting Codimension-two Objects in an Image with Ginzburg-Landau Models. G. Aubert and J.F. Aujol and L. Blanc-Féraud. Research Report 5254, INRIA, France, July 2004. Keywords : Ginzburg-Landau model, Biological images, Segmentation, Partial differential equation. @TECHREPORT{5254, author = {Aubert, G. and Aujol, J.F. and Blanc-Féraud, L.}, title = {Detecting Codimension-two Objects in an Image with Ginzburg-Landau Models}, year = {2004}, month = {July}, institution = {INRIA}, type = {Research Report}, number = {5254}, address = {France}, url = {https://hal.inria.fr/inria-00070744}, pdf = {https://hal.inria.fr/file/index/docid/70744/filename/RR-5254.pdf}, ps = {https://hal.inria.fr/docs/00/07/07/44/PS/RR-5254.ps}, keyword = {Ginzburg-Landau model, Biological images, Segmentation, Partial differential equation} } Résumé : Dans cet article, nous proposons a nouveau modèle mathématique pour détecter dans une image les singularités de codimension supérieure ou égale à deux. Cela signifie que nous voulons détecter des points dans des images 2-D, ou des points et des courbes dans des images 3-D. Nous nous inspirons des modèles de Ginzburg-Landau (GL). Ces derniers se sont révélés efficace pour modéliser de nombreux phénomènes physiques. Nous introduisons le modèle, nous énonçons ses propriétés mathématiques, et nous donnons des résultats expérimentaux illustrant les performances du modèle. Abstract : In this paper, we propose a new mathematical model for detecting in an image singularities of codimension greater than or equal to two. This means we want to detect points in a 2-D image or points and curves in a 3-D image. We drew one's inspiration from Ginzburg-Landau (G-L) models which have proved their efficiency for modeling many phenomena in physics. We introduce the model, state its mathematical properties and give some experimental results demonstrating its capability.

2 - Modeling very Oscillating Signals : Application to Image Processing. G. Aubert and J.F. Aujol. Research Report 4878, INRIA, France, July 2003. Keywords : Bounded Variation Space, Sobolev space, Image decomposition, Optimization, Partial differential equation. @TECHREPORT{4878, author = {Aubert, G. and Aujol, J.F.}, title = {Modeling very Oscillating Signals : Application to Image Processing}, year = {2003}, month = {July}, institution = {INRIA}, type = {Research Report}, number = {4878}, address = {France}, url = {https://hal.inria.fr/inria-00071705}, pdf = {https://hal.inria.fr/file/index/docid/71705/filename/RR-4878.pdf}, ps = {https://hal.inria.fr/docs/00/07/17/05/PS/RR-4878.ps}, keyword = {Bounded Variation Space, Sobolev space, Image decomposition, Optimization, Partial differential equation} } Résumé : Cet article complète le travail présenté dans cite{Aujol[3]} dans lequel nous avions développé l'analyse numérique d'un modéle variationnel, initialement introduit par L. Rudin, S. Osher and E. Fatemi cite{Rudin[1]}, et revisité depuis par Y. Meyer cite{Meyer[1]}, pour supprimer le bruit et isoler les textures dans une image. Dans un tel modèle, on décompose l'image f en deux composantes (u+v), u et v minimisant une énergie. La première composante u appartient à BV et contient l'information géométrique de l'image, alors que la seconde v appartient à un espace G qui contient les signaux à fortes oscillations, i.e. le bruit et les textures. Dans cite{Meyer[1]}, Y. Meyer effectue son étude dans ^2 entier, et son approche repose principalement sur des outils d'analyse harmonique. Nous nous pla ons dans le cas d'un ouvert borné de ^2, ce qui constitue le cadre adapté au traitement d'images, et notre approche repose sur des arguments d'analyse fonctionnelle. Nous définissons l'espace G dans ce cadre puis donnons quelques unes de ses propriétés. Nous étudions ensuite la fonctionnelle permettant de calculer les composantes u et v. Abstract : This article is a companion paper of a previous work cite{Aujol[3]} where we have developed the numerical analysis of a variational model first introduced by L. Rudin, S. Osher and E. Fatemi cite{Rudin[1]} and revisited by Y. Meyer cite{Meyer[1]} for removing the noise and capturing textures in an image. The basic idea in this model is to decompose f into two components (u+v) and then to search for (u,v) as a minimizer of an energy functional. The first component u belongs to BV and contains geometrical informations while the second one v is sought in a space G which contains signals with large oscillations, i.e. noise and textures. In Y. Meyer carried out his study in the whole ^2 and his approach is rather built on harmonic analysis tools. We place ourselves in the case of a bounded set of ^2 which is the proper setting for image processing and our approach is based upon functional analysis arguments. We define in this context the space G, give some of its properties and then study in this continuous setting the energy functional which allows us to recover the components u and v. model signals with strong oscillations. For instance, in an image, this space models noises and textures. case of a bounded open set of ^2 which is the proper setting for image processing. We give a definition of G adapted to our case, and we show that it still has good properties to model signals with strong oscillations. In cite{Meyer[1]}, the author had also paved the way to a new model to decompose an image into two components: one in BV (the space of bounded variations) which contains the geometrical information, and one in G which consists in the noises ad the textures. An algorithm to perform this decomposition has been proposed in cite{Meyer[1]}. We show here its relevance in a continuous setting.

3 - Supervised Classification for Textured Images. J.F. Aujol and G. Aubert and L. Blanc-Féraud. Research Report 4640, Inria, France, November 2002. Keywords : Texture, Classification, Wavelets, Partial differential equation, Level sets. @TECHREPORT{4640, author = {Aujol, J.F. and Aubert, G. and Blanc-Féraud, L.}, title = {Supervised Classification for Textured Images}, year = {2002}, month = {November}, institution = {Inria}, type = {Research Report}, number = {4640}, address = {France}, url = {https://hal.inria.fr/inria-00071945}, pdf = {https://hal.inria.fr/file/index/docid/71945/filename/RR-4640.pdf}, ps = {https://hal.inria.fr/docs/00/07/19/45/PS/RR-4640.ps}, keyword = {Texture, Classification, Wavelets, Partial differential equation, Level sets} } Résumé : Dans ce rapport, nous présentons un modèle de classification supervisée basé sur une approche variationnelle. Ce modèle s'applique spécifiquement aux images texturées. Nous souhaitons obtenir une partition optimale de l'image constituée de textures séparées par des interfaces régulières. Pour cela, nous représentons les régions définies par les classes ainsi que leurs interfaces par des fonctions d'ensemble de niveaux. Nous définissons une fonctionnelle sur ces ensembles de niveaux dont le minimum est une partition optimale. Cette fonctionnelle comporte en particulier un terme d'attache aux données spécifique aux textures. Nous utilisons une transformée en paquets d'ondelettes pour analyser les textures, ces dernières étant caractérisées par la distribution de leur énergie dans chaque sous-bande de la décompositon. Les équations aux dérivées partielles (EDP) relatives à la minimisation de la fonctionnelle sont couplées et plongées dans un schéma dynamique. En fixant un ensemble de niveaux initial, les différents termes des EDP guident l'évolution des interfaces (ensemble de niveau zéro) vers les frontières de la partion optimale, par le biais de forces externes (régularité de l'interface) et internes (attache aux données et contraintes partition). Nous avons effectué des tests sur des images synthétiques et sur des images réelles. Abstract : In this report, we present a supervised classification model based on a variational approach. This model is specifically devoted to textured images. We want to get an optimal partition of an image which is composed of textures separated by regular interfaces. To reach this goal, we represent the regions defined by the classes as well as their interfaces by level set functions. We define a functional on these level sets whose minimizers define an optimal partition. In particular, this functional owns a data term specific to textures. We use a packet wavelet transform to analyze the textures, these ones being characterized by their energy distribution in each sub-band of the decomposition. The partial differential equations (PDE) related to the minimization of the functional are embeded in a dynamical scheme. Given an initial interface set (zero level set), the different terms of the PDE's govern the motion of interfaces such that, at convergence, we get an optimal partition as defined above. Each interface is guided by external forces (regularity of the interface), and internal ones (data term and partition constraints). We have conducted several experiments on both synthetic and real images.

4 - Signed Distance Functions and Viscosity Solutions of Discontinuous Hamilton-Jacobi Equations. J.F. Aujol and G. Aubert. Research Report 4507, Inria, France, July 2002. Keywords : Partial differential equation, Signed distance function, Hamilton-Jacobi equation, Skeleton. @TECHREPORT{4507, author = {Aujol, J.F. and Aubert, G.}, title = {Signed Distance Functions and Viscosity Solutions of Discontinuous Hamilton-Jacobi Equations}, year = {2002}, month = {July}, institution = {Inria}, type = {Research Report}, number = {4507}, address = {France}, url = {https://hal.inria.fr/inria-00072081}, pdf = {https://hal.inria.fr/file/index/docid/72081/filename/RR-4507.pdf}, ps = {https://hal.inria.fr/docs/00/07/20/81/PS/RR-4507.ps}, keyword = {Partial differential equation, Signed distance function, Hamilton-Jacobi equation, Skeleton} } Résumé : Dans ce travail, nous commençons par revoir quelques propriétés de la fonction distance signée. En particulier, nous examinons le squelette d'une courbe de ^2, et nous obtenons une description complète de sa fermeture. Nous donnons aussi une condition suffisante pour que l'adhérence du squelette soit de mesure de Lebesgue nulle. Nous menons alors une étude complète de l'EDP: du/dt +sign(u_0(x))(|Du|-1)=0 , cette dernière étant reliée étroitement à la fonction distance signée. Les articles spécialisés ne fournissent pas de résultats mathématiques pour ce genre d'EDP. En effet, nous sommes confrontés à un Hamiltonien discontinu. Nous nous intéressons ensuite à une classe d'EDP plus générale: du/dt +sign(u_0(x))H(Du)=0 , où H est un opérateur convexe. En se plaçant dans le cadre d'hypothèses techniques raisonnables, nous obtenons le même genre de résultats que précédemment. A notre connaissance, il s'agit de résultats nouveaux pour des opérateurs hamiltoniens discontinus. Abstract : In this paper, we first review some properties of the signed distance function. In particular, we examine the skeleton of a curve in ^2 and get a complete description of its closure. We also give a sufficient condition for the closure of the skeleton to be of zero Lebesgue's measure. We then make a complete study of the PDE: du/dt +sign(u_0(x))(|Du|-1)=0 , which is closely related to the signed distance function. The existing literature provides no mathematical results for such PDEs. Indeed, we face the difficulty of considering a discontinuous Hamiltonian operator with respect to the space variable. We state an existence and uniqueness theorem, giving in particular an explicit Hopf-Lax formula for the solution as well as its asymptotic behaviour. This generalizes classical results for continous Hamitonian. We then get interested in a more general class of PDEs: du/dt +sign(u_0(x))H(D- u)=0, with H convex Under some technical but reasonable assumptions, we obtain the same kind of results. As far as we know, they are new for discontinuous Hamiltonians.

5 - An elementary proof of the equivalence between 2D and 3D classical snakes and geodesic active contours. G. Aubert and L. Blanc-Féraud. Research Report 3340, Inria, January 1998. Keywords : Geodesic active contours, Partial differential equation. @TECHREPORT{lbf98i, author = {Aubert, G. and Blanc-Féraud, L.}, title = {An elementary proof of the equivalence between 2D and 3D classical snakes and geodesic active contours}, year = {1998}, month = {January}, institution = {Inria}, type = {Research Report}, number = {3340}, url = {https://hal.inria.fr/inria-00073349}, pdf = {https://hal.inria.fr/file/index/docid/73349/filename/RR-3340.pdf}, ps = {https://hal.inria.fr/docs/00/07/33/49/PS/RR-3340.ps}, keyword = {Geodesic active contours, Partial differential equation} } Résumé : Les équations aux dérivées partielles (EDP) définissant l'évolution de courbe plane permettent, avec une implantation par ligne de niveau, un changement de topologie par rapport à la courbe initiale et sont de ce fait un outil puissant pour la segmentation d'objet dans une image. Récemment, Caselles et al. ont montrés l'équivalence entre les modèles de contours actifs classiques de Kass et al. et de contours actifs géodésiques qui définissent une EDP particulière d'évolution de courbe. Cependant la preuve proposée par Caselles n'est valable que pour la segmentation d'objet d'une image 2D avec des courbes 1D et fait appel à des concepts de la théorie hamiltonienne, sans aucun sens physique pour les contours actifs. Ce papier propose une preuve utilisant uniquement des calculs élémentaires d'analyse mathématique, valables aussi pour la segmentation d'image 3D à l'aide de surface. Abstract : Recently, Caselles et al. have shown in the equivalence between a classical snake problem of Kass et al. and a geodesic active contour model. The PDE derived from the geodesic problem gives an evolution equation for active contours which is very powerfull for image segmentation since changes of topology are allowed using the level set implementation. However in Caselles' paper the equivalence with classical snake is only shown for 2D images with 1D curves, by using concepts of Hamiltonian theory which have no meanings for active contours. This paper propose a proof using only elementary calculus of mathematical analysis. This proof is also valid in the 3D case for active surfaces.

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