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authorBjørn Rustad <bjorn@rustad.me>
Tue, 28 Oct 2014 16:34:08 +0000 (17:34 +0100)
committerBjørn Rustad <bjorn@rustad.me>
Tue, 28 Oct 2014 16:34:08 +0000 (17:34 +0100)
theory.tex

index 4019a303d4d9667da72ac2e3ee437edc782ba05f..44adc3dd6a299dbcd86ac7019b33728e980ddd37 100644 (file)
@@ -353,6 +353,7 @@ motions, meaning combinations of translations and rotations.
     \end{equation}
     where $\#(l_{\phi, \rho} \cap C)$ is the number of times the line
     $l_{\phi, \rho}$ intersects the curve $C$.
+    \label{thm:euclidean_cauchy_crofton}
 \end{theorem}
 This elegant formula is very useful when we later will discretize our
 energy function. The set of lines $\mathcal{L}$ is then discretized
@@ -364,24 +365,49 @@ product of two vectors in a point $p$ is calculated as $\langle a,
 b\rangle_M = \langle a, M(p) b \rangle$. The length of a curve $\gamma$
 parametrized by some parameter $t$ then becomes
 \begin{equation}
-    \abs{\gamma}_M = \int_\gamma \langle \dot{\gamma},
-    M\big(\gamma(t)\big) \, \dot{\gamma} \rangle \, dt
+    \abs{\gamma}_M = \int_\gamma \sqrt{\langle \dot{\gamma},
+    M\big(\gamma(t)\big) \, \dot{\gamma} \rangle} \, dt
+    \label{eq:riemannian_length}
 \end{equation}
 We will now prove a Cauchy--Crofton formula in this case where we have a
 metric tensor in each point.
 \begin{theorem}[The Riemannian Cauchy--Crofton formula]
-    In the case where the scalar product in each point depends on a
-    metric tensor $M(x)$ varying continuously over our space, the
-    Cauchy--Crofton formula becomes \fixme{assuming some stuff about
-    stuff}
+    Assume that our space $\Omega$ is equipped with a continous metric
+    tensor $M(x)$, whose eigenvalues are bounded $0 < k \leq
+    \lambda_2 \leq \lambda_1 \leq K < \infty$ for all $x \in \Omega$.
+    The Cauchy--Crofton formula for a differentiable curve $C$ of finite
+    length then becomes
     \begin{equation}
         \abs{C}_M = \int_\mathcal{L} \sum_{x \in l_{\nu, \rho} \cap C}
         \, \frac{\det M(x)}{2 \left( \nu^T \cdot M(x) \cdot \nu
         \right)^{\sfrac{3}{2}}}
         \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho}).
+        \label{eq:riemannian_cauchy_crofton}
     \end{equation}
+    \label{thm:riemannian_cauchy_crofton}
 \end{theorem}
-\begin{proof}
+Before proving this we present an important result from measure theory
+that we will need.
+\begin{theorem}[The Dominated Convergence theorem]
+    Let $\{ f_n \}$ be a sequence of real-valued measurable functions on
+    a complete measure space $(S, \Sigma, \mu)$. Suppose that the
+    sequence converges pointwise to a function $f$ and is dominated by
+    some integrable function $g$ in the sense that
+    \begin{equation}
+        \abs{f_n(x)} \leq g(x)
+    \end{equation}
+    for all $n$ and almost all $x \in S$. Then $f$ is integrable and
+    \begin{equation}
+        \lim_{n \to \infty} \int_S \abs{f_n - f} \, d\mu = 0
+    \end{equation}
+    which further implies that
+    \begin{equation}
+        \lim_{n \to \infty} \int_S f_n \, d\mu = \int_S f \, d\mu.
+    \end{equation}
+\end{theorem}
+For a proof and further background on measure theory and Lebesgue
+integration theory see for example \fixme{ref}
+\begin{proof}[Proof of the Riemannian Cauchy--Crofton formula]
     Assume first that our space is equipped with at constant metric
     tensor $M$. The length of our curve using this tensor can be
     calculated by transforming the curve and applying the Euclidean
@@ -488,31 +514,35 @@ metric tensor in each point.
         = \frac{\sigma_1^2 \sigma_2^2 
         }{\left(\sigma_1^2 \nu_x^2 + \sigma_2^2
         \nu_y^2\right)^{\sfrac{3}{2}}}
-        = \frac{\det \Sigma^2}{(\nu^T \, \Sigma^2 \,
+        = \frac{\det \Sigma^2}{(\nu^T \cdot \Sigma^2 \cdot 
         \nu)^{\sfrac{3}{2}}}.
     \end{equation}
     We are interested in the Jacobian of the whole transformation, so
     all that is left to do is insert $U^T l_{\nu, \rho}$ to obtain
     \begin{equation}
         \abs{J_M(l_{\nu, \rho})} = \abs{J_{\Sigma^2}(U^T l_{\nu, \rho})}
-        = \frac{\det M}{\left(\nu^T U \Sigma^2 U^T \nu\right)^{\sfrac{3}{2}}}
-        = \frac{\det M}{\left(\nu^T M \nu\right)^{\sfrac{3}{2}}}
+        = \frac{\det M}{\left(\nu^T \cdot U \Sigma^2 U^T \cdot
+        \nu\right)^{\sfrac{3}{2}}}
+        = \frac{\det M}{\left(\nu^T \cdot M \cdot \nu\right)^{\sfrac{3}{2}}}
     \end{equation}
     We have now proven that for a constant metric tensor $M$, the length
     of the differentiable curve $C$ with regards to this tensor can be
     calculated as
     \begin{equation}
-        \abs{C}_M = \int_C \langle \dot{C}, M \dot{C} \rangle \, dt
+        \abs{C}_M = \int_C \sqrt{\langle \dot{C}, M \dot{C} \rangle} \,
+        dt
         = \int_\mathcal{L} \# (l_{\nu, \rho} \cap C)
-        \frac{\det M}{\left(\nu^T M \nu \right)^{\sfrac{3}{2}}} \,
-        d\mathcal{L} (l_{\nu, \rho})
+        \frac{\det M}{\left(\nu^T \cdot M \cdot \nu
+        \right)^{\sfrac{3}{2}}} \, d\mathcal{L} (l_{\nu, \rho})
+        \label{eq:riemannian_const_m}
     \end{equation}
-    We now argue that this also holds for a non-constant but continuous
-    metric tensor $M(x)$. By partitioning the domain into disjoint sets
-    $U_i$ such that $\Omega = \cup U_i$, we make a piecewise constant
-    approximation $M_\pi(x)$ such that if $x \in U_i$ then $M_\pi(x) =
-    M(x_i)$ for some fixed $x_i \in U_i$. We then approximate the right
-    side of \fixme{ref} by
+    We now argue that the similar formula in
+    \eqref{eq:riemannian_cauchy_crofton} holds for a non-constant but
+    continuous metric tensor $M(x)$. By partitioning the domain into
+    disjoint sets $U_i$ such that $\Omega = \cup_i U_i$, we make a
+    piecewise constant approximation $M_\pi(x)$ such that if $x \in U_i$
+    then $M_\pi(x) = M(x_i)$ for some fixed $x_i \in U_i$. We then
+    approximate \eqref{eq:riemannian_const_m} by
     \begin{equation}
         \abs{C}_{M_\pi} = \sum_i \int_\mathcal{L} \#(l_{\nu, \rho} \cap
         C \cap U_i) \, w_i(\nu) \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho})
@@ -521,15 +551,15 @@ metric tensor in each point.
     where $w_i$ is the weight-function used in the set $U_i$ which can
     be written
     \begin{equation}
-        w_i(\nu) = \frac{\det M(x_i)}{\left(\nu^T M(x_i) \nu
+        w_i(\nu) = \frac{\det M(x_i)}{\left(\nu^T \cdot M(x_i) \cdot \nu
         \right)^{\sfrac{3}{2}}}.
     \end{equation}
     We further simplify the approximation by introducing the global
     weight-function $w_\pi(\nu, x)$ which is equal to
     $w_i(\nu)$ when $x \in U_i$. It can be written
     \begin{equation}
-        w_\pi(\nu, x) = \frac{\det M_\pi(x)}{\left(\nu^T M_\pi(x) \nu
-        \right)^{\sfrac{3}{2}}}.
+        w_\pi(\nu, x) = \frac{\det M_\pi(x)}{\left(\nu^T \cdot M_\pi(x)
+        \cdot \nu \right)^{\sfrac{3}{2}}}.
         \label{eq:wpi_def}
     \end{equation}
     Using this weight in \eqref{eq:mpi_approx} we can get rid of the sum
@@ -542,13 +572,21 @@ metric tensor in each point.
         U_i} w_\pi(\nu, x) \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho}) \\
         &= \int_\mathcal{L} \sum_{x \in l_{\nu, \rho} \cap C}
         w_\pi(\nu, x) \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho}).
+        \label{eq:riemannian_segments}
     \end{align}
     As our partition $\pi$ is refined the weight $w_\pi(x)$ converges
-    pointwise to the continously varying weight $w(x)$. Now it only
-    remains to show that the integral converges, and that the left side
-    converges to the left side of \fixme{ref}.
+    pointwise to the continously varying weight
+    \begin{equation}
+        w(\nu, x) = \frac{\det M(x)}{\left( \nu^T \cdot M(x) \cdot \nu
+        \right)^{\sfrac{3}{2}}}
+    \end{equation}
+    found in \eqref{eq:riemannian_cauchy_crofton}. Now it only remains
+    to show that the left and right hand side of
+    \eqref{eq:riemannian_segments} converges to the left and right hand
+    side of \eqref{eq:riemannian_cauchy_crofton}.
 
-    Recall from \fixme{ref} that the left hand side is calculated as
+    Recall from \eqref{eq:riemannian_length} that the left hand side is
+    calculated as
     \begin{equation}
         \abs{C}_{M_\pi}
         = \int_C \abs{\dot{C}}_{M_\pi} \, dt
@@ -556,61 +594,37 @@ metric tensor in each point.
         \, dt.
     \end{equation}
     We know that $M_\pi(x)$ converges pointwise to $M(x)$, and thus
-    $\abs{\dot{C}}_{M_\pi}$ converges pointwise to $\abs{\dot{C}}_M$.
-    The largest eigenvalue of $M$ is equal to 1 and we can parametrize
-    $C$ by its arclength parameter such that $\abs{\dot{C}} = 1$. Thus
-    the integrand is bounded and we can apply Lebesgue's dominated
-    convergence theorem to see that $\abs{C}_{M_\pi} \to
-    \abs{C}_{M}$.
+    $\abs{\dot{C}(x)}_{M_\pi}$ converges pointwise to
+    $\abs{\dot{C}(x)}_M$. We have assumed bounds on the eigenvalues
+    of $M(x)$, and we can parametrize $C$ by its arc length such that
+    $\abs{\dot{C}(x)} = 1$, and thus the integrand is bounded and we can
+    apply Lebesgue's dominated convergence theorem to see that
+    $\abs{C}_{M_\pi} \to \abs{C}_M$.
 
     We apply the same theorem to show that the right hand side of
-    \fixme{ref} converges, but showing that $\sum_x w_\pi(\nu, x)$ is
-    bounded is a bit more involved. Recall the definition of $w_\pi$ in
-    \eqref{eq:wpi_def}. The numerator is equal to $\sigma_1^2
-    \sigma_2^2$ and thus from the construction in \fixme{ref} bounded
-    from above by $1$.
+    \eqref{eq:riemannian_segments} converges. Recall the definition of
+    $w_\pi$ in \eqref{eq:wpi_def}. The numerator is equal to $\sigma_1^2
+    \sigma_2^2 = \lambda_1 \lambda_2$ and is by assumption bounded from
+    above by $K^2$.
 
-    Next we need to bound $\nu^T M_\pi(x) \nu$ away from zero. According
-    to the Rayleigh principle \fixme{sigma squared is a bit meh?}
-    \begin{equation}
-        \sigma_2^2 = \min_{\norm{\xi} = 1} \sqrt{\xi^T M_\pi(x) \xi}
-    \end{equation}
-    and thus $\nu^T M_\pi(x) \nu \geq \sigma_2^2$ where $\sigma_2^2$ is
-    the smallest eigenvalue of $M_\pi(x)$. Recalling the construction in
-    \fixme{ref} we know that
-    \begin{align}
-        \sigma_2^2 &= \left(1 + \frac{(s_1 -
-        s_2)^2}{\gamma^2}\right)^{-1} \geq \left(1 +
-        \frac{s_1^2}{\gamma^2}\right)^{-1},
-    \end{align}
-    where $s_1$ and $s_2$ are the largest and smallest eigenvalue of our
-    structure tensor respectively. Bounding $s_1$ from above would then
-    imply $\sigma_2^2 \geq K > 0$.
+    \fixme{sigma squared meh?}
 
-    The structure tensor is constructed as follows:
+    Next we need to bound $\nu^T M_\pi(x) \nu$ away from zero. According
+    to the Rayleigh principle
     \begin{equation}
-        S(x) = \left(K_{\rho} * \left( \nabla \tilde{f}_{\sigma} \otimes \nabla
-        \tilde{f}_{\sigma} \right)\right)(x).
+        \lambda_2 = \min_{\norm{\xi} = 1} \sqrt{\xi^T M_\pi(x) \xi}
     \end{equation}
-    This is a smooth continuous map from $\bar{\Omega}$ to
-    $\mathbb{R}^{2\times 2}$. As we can see in \fixme{ref} the
-    eigenvalues are the roots of a monic polynomial and thus depend
-    continuously on the coefficients of the polynomial, which in turn
-    are continuous functions of the elements in the structure tensor
-    $S(x)$.
-
-    This proves that our weight function $w_\pi$ is bounded from above,
-    but the sum
+    and thus $\nu^T M_\pi(x) \nu \geq \lambda_2 \geq k$. The weight
+    function $w_\pi$ is then bounded, but not neccesarily the sum
     \begin{equation}
-        \sum_{x \in l_{\nu, \rho} \cap C} w_\pi(\nu, x)
+        \sum_{\mathclap{x \in l_{\nu, \rho} \cap C}} w_\pi(\nu, x).
     \end{equation}
-    might be infinite. However, if this happens for a set of lines with
-    measure greater than zero, the Euclidean Cauchy--Crofton formula in
-    \fixme{ref} implies that the curve is infinitely long.
-
-    Assuming that our curve has finite length we can therefore bound the
-    integrand of \fixme{ref} and conclude using Lebesgue's dominated
-    convergence theorem \fixme{ref} that
+    However, if the $l_{\nu, \rho} \cap C$ is infinite for a set of
+    lines with measure greater than zero, the Euclidean Cauchy--Crofton
+    formula in Theorem \ref{thm:euclidean_cauchy_crofton} implies that
+    the curve is infinitely long \fixme{which we have assumed it is
+    not?} As the sum is also bounded we can apply Lebesgue's dominated
+    convergence theorem again and conclude that
     \begin{equation}
         \int_\mathcal{L} \sum_{x \in l_{\nu, \rho} \cap C}
         w_\pi(\nu, x) \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho})
@@ -618,7 +632,6 @@ metric tensor in each point.
         \int_\mathcal{L} \sum_{x \in l_{\nu, \rho} \cap C}
         w(\nu, x) \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho})
     \end{equation}
-    \fixme{introduce $w$ somewhere}
     which--as both sides of the equality has been shown to
     converge--leaves us with what we wanted to prove
     \begin{equation}
@@ -630,6 +643,39 @@ metric tensor in each point.
     \end{equation}
 \end{proof}
 
+\section{Yeeep}
+
+Here we finish up the consideration of the contiuous problem, woop.
+
+The structure tensor is constructed as described in \fixme{ref}
+\begin{equation}
+    S(x) = \left(K_{\rho} * \left( \nabla \tilde{f}_{\sigma} \otimes \nabla
+    \tilde{f}_{\sigma} \right)\right)(x),
+\end{equation}
+where $\tilde{f}$ is the symmetric extension of our input image $f$ to
+$\mathbb{R}^2$. 
+Because of the convolutions with the Gaussian function, this is a smooth
+continuous map from $\bar{\Omega}$ to $\mathbb{R}^{2\times 2}$. As we
+can see in \fixme{ref} the eigenvalues are the roots of a monic
+polynomial and thus depend continuously on the coefficients of the
+polynomial, which in turn are continuous functions of the elements in
+the structure tensor $S(x)$. The extreme value theorem \fixme{ref}
+states that a continuous real-valued function on a nonempty compact
+space is bounded above. Thus the eigenvalues $s_1$ and $s_2$ of $S(x)$
+are bounded from above and by construction the smallest eigenvalue of
+our metric tensor $M(x)$ is bounded away from zero as
+\begin{equation}
+    \lambda_2 = \left(1
+    + \frac{(s_1 - s_2)^2}{\gamma^2}\right)^{-1} \geq \left(1 +
+    \frac{s_1^2}{\gamma^2}\right)^{-1} \geq Q > 0.
+\end{equation} 
+Hence, our metric tensor $M(x)$ fulfills all the assumptions of Theorem
+\ref{thm:riemannian_cauchy_crofton}. \fixme{did we argue for
+continuous?}
+
+And here we write something about the perimeter not being the length of
+the boundary and all that stuff. We really tie the room together.
+
 \chapter{Discrete formulation}
 
 This is where we discretize! It will also be an important chapter, as