]> git.rustad.me Git - master/commitdiff
Prove some stuffs
authorBjørn Rustad <bjorn@rustad.me>
Thu, 9 Oct 2014 15:39:54 +0000 (17:39 +0200)
committerBjørn Rustad <bjorn@rustad.me>
Thu, 9 Oct 2014 15:39:54 +0000 (17:39 +0200)
commands.tex
theory.tex

index ce9b6139a60b1b6435895851819f3f112c13632e..a457dbdb1e7ddfa33f946c64c6fc16efebf251ed 100644 (file)
@@ -3,6 +3,8 @@
 \newcommand{\TV}{\mathit{TV}}
 \newcommand{\BV}{\mathit{BV}}
 \newcommand{\idfun}{\chi}
+\newcommand{\dpdr}{d\phi \, d\rho}
+\newcommand{\Ahalf}{A^{\sfrac{1}{2}}}
 \definecolor{fixme-color}{rgb}{0.7,0.2,0}
 \newcommand{\fixme}[1]{\textcolor{fixme-color}{FIXME: #1}}
 \def\cpp{C{}\texttt{++}}
index 8bde3d46d43fdd6836e648bef7b6d3253e84ea24..a16246ce1f82d04a3500896f42c99c738e2ad71b 100644 (file)
@@ -93,7 +93,7 @@ square root in there, what does that change? OK, talked to Markus about
 it, it is very technical and does not give much to do it properly, but
 should be discussed. Did he say that it could be done in some smaller
 space $C^1$ or $C^2$ and then we could leave the extension to someone
-else?  For existence we need coercivity (that we can't go infinitely far
+else? For existence we need coercivity (that we can't go infinitely far
 to get a better solution) and weak lower semi-continuity, which means we
 consider the weak topology induced by the weak convergence (?). We do
 some kind of extension with $+\infty$ for functions outside our space,
@@ -119,6 +119,189 @@ This might be where we discuss the Ciaccoppolini sets and all that
 stuff. We must also clarify what a perimeter is, and how it relates to a
 contour later.
 
+\section{Cauchy--Crofton formulas}
+
+If we parametrize straight lines as shown in Figure \fixme{ref}, we can
+define the set of all staight lines as $\mathcal{L} = \{ (\phi, \rho) :
+\phi \in [0, 2\pi), \rho \geq 0 \}$. By defining the Lebesgue measure on
+this set $d\mathcal{L} = \dpdr$ we are ready to introduce the
+Cauchy--Crofton formula, which gives us a way to calculate the length of
+a curve by looking at the measure of the set of lines that intersect the
+curve. Note that the measure $\dpdr$ is invariant under rigid motions,
+meaning combinations of translations and rotations.
+\begin{theorem}[The Euclidean Cauchy--Crofton formula]
+    Given a curve $C$ in $\mathbb{R}^2$, the length of this curve
+    $\abs{C}$ is related to the set of lines $\mathcal{L}$ as follows
+    \begin{equation}
+        \int_\mathcal{L} n_C(\phi, \rho) \, \dpdr = 2 \abs{C},
+    \end{equation}
+    where $n_C(\phi, \rho)$ is the number of times the line $(\phi,
+    \rho)$ intersects with the curve $C$.
+\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
+depending on our choice of neighborhood, and the length of the curve $C$
+can be approximated by a sum.
+
+\begin{theorem}[The Riemannian Cauchy--Crofton formula]
+    In the case of a Riemannian geometry, where the scalar product in
+    each point depends on a metric tensor $M(p)$ varying continuously over
+    our space, the Cauchy--Crofton formula becomes
+    \begin{equation}
+        \abs{C}_R = \int_\mathcal{L} n_C(\phi, \rho) \, \frac{\det
+        M(p)}{2 \left( u_L^T \cdot M(p) \cdot u_L \right)} \, \dpdr.
+    \end{equation}
+    Here, $u_L$ is a unit vector along the line currently being
+    integrated over.
+\end{theorem}
+\begin{proof}
+    Assume first that our space is equipped with at constant metric
+    tensor $A$. The length of our curve using this Riemannian metric can
+    then be calculated by transforming the curve back into euclidean
+    space and applying the Euclidean Cauchy--Crofton formula
+    \begin{align}
+        \abs{C}_A &= \abs{A^{\sfrac{1}{2}}C} \\
+                  &= \int n(L \cap A^{\sfrac{1}{2}}C) \,
+        d\mathcal{L}(L) \\
+                  &= \int n(A^{-\sfrac{1}{2}}L \cap C) \,
+        d\mathcal{L}(L) \\
+                  &= \int n(M \cap C) \abs{J(\Ahalf)}\,
+        d\mathcal{L}(M)
+    \end{align}
+    where $J(A^{\sfrac{1}{2}})$ is the Jacobian of our coordinate
+    transformation $M = A^{-\sfrac{1}{2}} L$, which is what we need to
+    find next.
+
+    As $A\in \mathbb{R}^{2\times2}$ is symmetric, so is
+    $A^{\sfrac{1}{2}}$, and it emits an eigendecomposition $\Ahalf
+    = U\Lambda U^T$ where the components correspond to the following
+    coordinate transformations
+    \begin{align}
+        U(\alpha,\rho) &= (\alpha + \xi, \rho), \\
+        U^T(\alpha,\rho) &= (\alpha - \xi, \rho), \\
+        \Lambda &= \begin{pmatrix}
+            \sigma_1 & 0 \\
+            0 & \sigma_2
+        \end{pmatrix}.
+    \end{align}
+    As $U$ and $U^T$ correspond to rotations they do not contribute to
+    the Jacobian, except for changing the input angle of the $\Lambda$
+    operator. Given a line
+    \begin{equation}
+        L_{\alpha, \rho} = \begin{pmatrix}
+            \rho\cdot \cos \alpha \\
+            \rho\cdot \sin \alpha
+        \end{pmatrix}
+        + \mathbb{R} \begin{pmatrix}
+            -\sin \alpha \\
+            \cos \alpha
+        \end{pmatrix},
+    \end{equation}
+    the $\Lambda$ operator transforms it into
+    \begin{equation}
+        \Lambda L_{\alpha, \rho} = \begin{pmatrix}
+            \sigma_1 \rho\cdot \cos \alpha \\
+            \sigma_2 \rho\cdot \sin \alpha
+        \end{pmatrix}
+        + \mathbb{R} \begin{pmatrix}
+            -\sigma_1 \sin \alpha \\
+            \sigma_2 \cos \alpha
+        \end{pmatrix},
+    \end{equation}
+    which is has parameters
+    \begin{align}
+        \beta &= \arctan \left( \frac{\sigma_1}{\sigma_2} \tan \alpha
+        \right) \\
+        \nu &= \left\langle \begin{pmatrix}
+            \sigma_1 \rho\cdot \cos \alpha \\
+            \sigma_2 \rho\cdot \sin \alpha
+        \end{pmatrix}, \begin{pmatrix}
+            \cos \beta \\
+            \sin \beta
+        \end{pmatrix}
+        \right\rangle.
+    \end{align}
+    As $\partial_\rho \beta = 0$, the Jacobian becomes
+    $\abs{J} = \partial_\alpha\beta \cdot \partial_\rho \nu$. Differentiation
+    yields
+    \begin{align}
+        \partial_\alpha \beta &= \frac{ \frac{\sigma_1}{\sigma_2}
+        \sec^2 \alpha}{1 + \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2}
+        \tan^2 \alpha}, \\
+        \partial_\rho \nu &= \sigma_1 \cos \alpha \cdot \cos \beta + \sigma_2
+        \sin \alpha \cdot \sin \beta
+        = \frac{\sigma_1 \cos \alpha \left( 1 + \tan^2 \alpha \right)
+        }{\sqrt{1 + \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} \tan^2 \alpha}}
+    \end{align}
+    and assuming that $v = (v_x, v_y)^T$ is a unit vector along the line
+    parametrized by the angle $\alpha$ we obtain
+    \begin{equation}
+        \abs{J} = \frac{\frac{\sigma_1}{\sigma_2} \cdot \sigma_1 \left(
+        1 + \tan^2 \alpha \right)^{\sfrac{3}{2}}}{\left( 1 +
+                \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} \tan^2
+        \alpha \right)^{\sfrac{3}{2}}}
+        = \frac{\sigma_1^2 \sigma_2^2 \left( v_x^2 +
+        v_y^2\right)^{\sfrac{3}{2}}}{\left(\sigma_1^2 v_x^2 + \sigma_2^2
+        v_y^2\right)^{\sfrac{3}{2}}}.
+    \end{equation}
+    The angle of the line that $\Lambda$ takes as input has already been
+    rotated by the $U^T$ operator, such that if $u$ is a unit vector
+    along the line being integrated over, then $v = U^Tu$ and
+    \begin{equation}
+        \abs{J} = \frac{\det A}{\left(u^T A u\right)^{\sfrac{3}{2}}}
+    \end{equation}
+    And now we 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 such that $M_\pi(x) = M(x_i)$ for
+    some fixed $x_i \in U_i$. We then approximate the right side of
+    \fixme{ref} by
+    \begin{align}
+        \abs{C}_{M_\pi} &= \sum_i \int_\mathcal{L} n_{C\cap U_i} w_i \,
+        d\mathcal{L} \\
+        &= \sum_i \int_\mathcal{L} \sum_{x\in C\cap U_i \cap
+        \mathcal{L}} w_\pi(\phi, p) \, d\mathcal{L} \\
+        &= \int_\mathcal{L} \sum_{x\in C\cap \mathcal{L}} w_\pi(\phi, p)
+        \, d\mathcal{L}.
+    \end{align}
+    As our partition $\pi$ is refined the weight $w_\pi(x)$ converges
+    pointwise to the continously varying weight $w(x)$. We now want to
+    bound the expression for $w_\pi$.
+    \begin{equation}
+        w_\pi = \frac{\det M(p)}{2 \left(u_L^T \cdot M(p) \cdot
+        u_L\right)^{\sfrac{3}{2}}}
+    \end{equation}
+    If we manage to bound the singular values and keep them away from
+    $0$, that would be great. The singular values \fixme{or eigenvalues}
+    of our tensor is
+    \begin{align}
+        \sigma_1 &= 1 \\
+        \sigma_2 &= \frac{1}{1 + \frac{(s_1 -
+        s_2)^2}{\gamma^2}} \geq \frac{1}{1 + \frac{s_1^2}{\gamma^2}}
+        \geq \Kappa > 0
+    \end{align}
+    and thus we only have to prove that the largest eigenvalue of our
+    structure tensor $s_1$ is finite to show that the singular values of
+    our metric tensor is bounded.
+
+    The structure tensor is made by taking the outer product of the
+    gradient of each point in a smoothed version of the noisy image $f$.
+    This tensor is then again smoothed component-wise with a Gaussian
+    kernel
+    \begin{equation}
+        \nabla f_{\rho_1} \otimes \nabla f_{\rho_1} \mapsto K_{\rho_2} *
+        \left( \nabla f_{\rho_1} \otimes \nabla f_{\rho_1} \right).
+    \end{equation}
+    This is a smooth map from $\bar{\Omega}$ to $\mathbb{R}^{2\times
+    2}$, and assuming that our original image $f$ is bounded (?), so is
+    this tensor.
+
+    The singular values are the roots of a polynomial which depend
+    continuously on the coefficients of the polynomial which depend
+    continuously on the entries of the tensor. Thusly, the singular
+    values are also bounded.
+\end{proof}
+
 \chapter{Discrete formulation}
 
 This is where we discretize! It will also be an important chapter, as
@@ -134,6 +317,25 @@ Cauchy--Crofton formula, especially in the Riemann metric case. We have
 to verify that all the approximations work, and that it indeed converges
 also in this case.
 
+\subsection{Discrete Riemannian Cauchy--Crofton formula}
+
+By approximating the integral in \fixme{REF} by a discrete sum we obtain
+the approximation
+\begin{align}
+    \abs{C}_R &= \int_\mathcal{L} n_C \, \frac{\det M(p)}{2\left(u_L^T
+    \cdot M(p) \cdot u_L\right)^{\sfrac{3}{2}}} \, d\mathcal{L} \\
+    &\approx \sum_{\mathcal{L}_D} n_C \, \frac{\det M(p)}{2\left(u_L^T
+    \cdot M(p) \cdot u_L\right)^{\sfrac{3}{2}}} \, \Delta\phi \,
+    \Delta\rho \\
+\end{align}
+where $\mathcal{L}_D$ is a discretization of the set of lines in the
+plane $\mathcal{L}$ \fixme{figure}.
+\begin{align}
+    \abs{C}_R &\approx \sum_{e} n_C(e) \, \frac{\det M(e)}{2\left(e^T
+    \cdot M(e) \cdot e\right)^{\sfrac{3}{2}}} \, \Delta\phi \,
+    \Delta\rho
+\end{align}
+
 \section{Graph cut formulation}
 
 Maybe this is more tightly connected with the previous section, but the