]> git.rustad.me Git - master/commitdiff
Placeholder figures and theory
authorBjørn Rustad <bjorn@rustad.me>
Tue, 14 Oct 2014 12:18:17 +0000 (14:18 +0200)
committerBjørn Rustad <bjorn@rustad.me>
Tue, 14 Oct 2014 12:18:17 +0000 (14:18 +0200)
commands.tex
fig/area_argument.png [new file with mode: 0644]
fig/neigh_lines.png [new file with mode: 0644]
theory.tex

index a457dbdb1e7ddfa33f946c64c6fc16efebf251ed..8ae3d9efff656c03b2ea197a470ce670d1e99a6e 100644 (file)
@@ -1,5 +1,6 @@
 \newcommand{\abs}[1]{\lvert #1 \rvert}
 \newcommand{\norm}[1]{\lVert #1 \rVert}
+\newcommand{\diver}{\mathop{\mathrm{div}}\nolimits}
 \newcommand{\TV}{\mathit{TV}}
 \newcommand{\BV}{\mathit{BV}}
 \newcommand{\idfun}{\chi}
diff --git a/fig/area_argument.png b/fig/area_argument.png
new file mode 100644 (file)
index 0000000..e83a2d0
Binary files /dev/null and b/fig/area_argument.png differ
diff --git a/fig/neigh_lines.png b/fig/neigh_lines.png
new file mode 100644 (file)
index 0000000..8b8b08e
Binary files /dev/null and b/fig/neigh_lines.png differ
index a16246ce1f82d04a3500896f42c99c738e2ad71b..3e92599ca95e5862b5754146534da50fee7ae4fb 100644 (file)
@@ -119,6 +119,146 @@ 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{Anisotropic coarea formula}
+
+We define the thresholded image at level $s$ as
+\begin{equation}
+    u^s(x) = \begin{cases}
+        1 & \text{if } u(x) > s, \\
+        0 & \text{otherwise}.
+    \end{cases}
+\end{equation}
+This allows us to write a non-negative image $u \geq 0$ as an integral
+over all the layers
+\begin{equation}
+    u = \int_0^\infty u^s \, ds.
+\end{equation}
+
+For any image $u \in C^1_c(\Omega)$ define the anisotropic total
+variation functional
+\begin{equation}
+    J_A(u) = \int_\Omega \sqrt{\nabla u(x)^T A(x) \nabla u(x)} \, dx.
+\end{equation}
+\fixme{Why compact support?}
+Before introducing the anisotropic coarea formula, we extend the
+definition of this functional to the space $\BV(\Omega)$. Being
+symmetric positive definite, the matrix $A(x)$ can be factored into two
+symmetric matrices as $A(x) = Q(x) Q(x)$. We can then write
+\begin{align}
+    J_A(u) &= \int_\Omega \abs{Q \nabla u} \, dx \\
+           &= \sup_{\abs{\xi(x)}
+    \leq 1} \int_\Omega (Q \nabla u)^T \xi \, dx \\
+    &= \sup_{\abs{\xi(x)}\leq 1} \int_\Omega \nabla u \cdot Q\xi \, dx
+    \\
+    &= \sup_{\abs{\xi(x)}\leq 1} \int_\Omega -u \diver (Q\xi) \, dx \\
+    &= \sup_{\eta^T A^{-1} \eta \leq 1} \int_\Omega -u \diver \eta \,
+    dx.
+\end{align}
+If we let $\norm{\xi}_A = \sqrt{\xi^T A \xi}$ and $\norm{\eta}_A^* =
+\sqrt{\eta^T A^{-1} \eta}$, then our new extended definition reads
+\begin{equation}
+    J_A(u) = \sup_{\substack{\xi \in C_c^1(\Omega; \mathbb{R}^N) \\
+    \norm{\xi(x)}_A^* \leq 1}} \int_\Omega -u \diver \xi \, dx.
+\end{equation}
+
+\begin{theorem}[Anisotropic coarea formula]
+    Given an image $u \in \BV(\Omega)$, the anisotropic total variation
+    can be calculated written as an integral over all the levels
+    \begin{equation}
+        J_A(u) = \int_{-\infty}^\infty J_A(u^s) \, ds.
+    \end{equation}
+\end{theorem}
+\begin{proof}
+    Assume that $u \in C^1(\Omega) \cap \BV(\Omega)$. \fixme{Something
+    about the approximation arguments.}
+    \paragraph{First we prove that $J_A(u) \leq \int_{-\infty}^\infty
+    J_A(u^s) \, ds$.}
+    Assume that $u \geq 0$ such that the integral in \fixme{ref} holds,
+    then inserting \fixme{ref} into \fixme{ref} gives
+    \begin{align}
+        J_A(u) &= \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega -\left(
+        \int_0^\infty u^s ds \right) \diver \xi \, dx
+        = \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega \int_0^\infty -u^s
+        \diver \xi \, ds \, dx \\
+        &\leq \int_0^\infty \left( \sup_{\norm{\xi}_A^*} \int_\Omega
+        -u^s \diver \xi \, dx \right) \, ds
+        = \int_0^\infty J_A(u^s) \, ds.
+    \end{align}
+    For $u \leq 0$ we use that $J_A(-v) = J_A(v)$ and that $J_A(c + v) =
+    J_A(v)$ for any constant $c$. This allows us to show that
+    \fixme{also something about $u^{-r}$}
+    \begin{align}
+        J_A(u) &= J_A(-u) \leq \int_0^\infty J_A \big( (-u)^r \big) \,
+        dr \\
+        &= \int_0^\infty J_A(1 - u^{-r}) \, dr = \int_0^\infty
+        J_A(u^{-r}) \, dr = \int_{-\infty}^0 J_A(u^s) \, ds.
+    \end{align}
+    Next, we write a general $u$ as a difference between two positive
+    function $u = u_+ - u_-$ \fixme{They will not be differentiable
+    everywhere, but a.e.\ ?} and conclude that
+    \begin{align}
+        J_A(u) &\leq J_A(u_-) + J_A(u_+) \\
+               &\leq \int_{-\infty}^0 J_A\big((-u_-)^s\big) \, ds +
+        \int_0^\infty J_A(u_+^s) \, ds\\
+        &= \int_{-\infty}^0 J_A(u^s) \, ds + \int_0^\infty J_A(u^s) \,
+        ds = \int_{-\infty}^\infty J_A(u^s) \, ds
+    \end{align}
+    \paragraph{Then we prove that $J_A(u) \geq \int_{-\infty}^\infty
+    J_A(u^s) \, ds$.}
+    Define the function
+    \begin{equation}
+        m(t) = \int_{\{ x \in \Omega : u(x) \leq t\}} \norm{\nabla u}_A
+        \, dx,
+    \end{equation}
+    and note that $m(\infty) = J_A(u)$. Since $m(t)$ is non-decreasing
+    with $t$, we can apply the existence theorem of Lebesgue \fixme{ref}
+    to conclude that $m'(t)$ exists a.e.\ (w.r.t.\ Lebesgue measure) and
+    that Lebesgue's inequality holds:
+    \begin{equation}
+        \int_{-infty}^\infty m'(t)\, dt \leq m(\infty) - m(-\infty) =
+        J_A(u).
+    \end{equation}
+    Next, fix an $s \in \mathbb{R}$ and define the function
+    \begin{equation}
+        \eta_r(t) = \begin{cases}
+            0 & \text{if } t < s \\
+            (t - s)/r & \text{if } s \leq t < s + r \\
+            1 & \text{if } t > s + r
+        \end{cases}
+    \end{equation}
+    visualized in Figure \fixme{fig} such that its derivative takes the
+    form shown in Figure \fixme{fig2}. We then have
+    \begin{equation}
+        \int_\Omega - \eta_r(u) \diver \xi \, dx
+        = \int_\Omega \eta_r'(u) \nabla u\cdot \xi \, dx
+        = \frac{1}{r} \int_{\{ s \leq u \leq s + r \}} \nabla u\cdot \xi
+        \, dx.
+    \end{equation}
+    Assuming that $\norm{\xi}_A^* \leq 1$ we have
+    \begin{align}
+        \frac{m(s+r) - m(s)}{r}
+        &= \frac{1}{r} \int_{\{ s \leq u \leq s+r \}} \norm{\nabla u}_A
+        \, dx \\
+        &\geq \frac{1}{r} \int_{\{ s \leq u \leq s + r\}} \nabla u \cdot
+        \xi \, dx
+        = \int_\Omega -\eta_r(u) \diver \xi \, dx.
+    \end{align}
+    As the limit of the left-hand side as $r \to 0$ exists almost
+    everywhere, suppose it exists at $s \in \mathbb{R}$, then
+    \begin{equation}
+        m'(s) \geq - \int_\Omega u^s \diver \xi \, dx
+    \end{equation}
+    since $\eta_r(u) \to u^s$ when $r \to 0$. As this holds for any
+    $\norm{\xi}_A^* \leq 1$, we get from \fixme{ref def} that $m'(s)
+    \geq J_A(u_s)$ almost everywhere and conclude
+    \begin{equation}
+        J_A(u) \geq \int_{-\infty}^\infty m'(t) \, dt \geq
+        \int_{-\infty}^\infty J_A(u^s) \, ds.
+    \end{equation}
+    \fixme{something something set of measure zero, lebesgue integral
+    something something}
+\end{proof}
+
 \section{Cauchy--Crofton formulas}
 
 If we parametrize straight lines as shown in Figure \fixme{ref}, we can
@@ -299,7 +439,14 @@ can be approximated by a sum.
     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.
+    values are also bounded and the eigenvalues of our metric tensor is
+    greater than $0$.
+
+    According to the Rayleigh principle \fixme{REF}
+    \begin{equation}
+        \sigma_2 = \min_{\norm{x} = 1} \sqrt{x^T A x},
+    \end{equation}
+    so the denominator of \fixme{ref} is greater than $0$.
 \end{proof}
 
 \chapter{Discrete formulation}
@@ -319,6 +466,21 @@ also in this case.
 
 \subsection{Discrete Riemannian Cauchy--Crofton formula}
 
+\begin{figure}
+    \centering
+    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{fig/neigh_lines.png}
+    \caption{
+        The set of lines $\mathcal{L}$ is discretized to $\mathcal{L}_D$
+        where each line belongs to a family given by the angle $\phi$
+        parameter. In the figure to the left we see a visualization of
+        \fixme{almost} all the families as a neighborhood. \fixme{Note
+            that the angle $\phi$ is normally taken as a parameter
+            giving the normal to the actual line, but since we only
+        consider the difference $\Delta\phi$, this does not matter?}
+        To the right we see all the lines of one family.
+    }
+    \label{fig:neigh_lines}
+\end{figure}
 By approximating the integral in \fixme{REF} by a discrete sum we obtain
 the approximation
 \begin{align}
@@ -329,12 +491,48 @@ the approximation
     \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}
+plane $\mathcal{L}$ \fixme{figure}. Since the final goal is to work with
+digital images, it makes sense to discretize our domain $\Omega$ as a
+regular (?) lattice? $\mathcal{S}$. The set of lines $\mathcal{L}_D$ can
+then be made up of lines through points on this lattice as shown in
+Figure \fixme{some figure with lines}. Further working towards our graph
+cut representation of the problem later, each line is made up of
+\emph{edges} going between the points in the lattice. We will denote an
+edge by $e$. The curve length can then be approximated by
+\begin{equation}
+    \abs{C}_R \approx \sum_{e} n_C(e) \, \frac{\norm{e}^3 \det M(e)}{2
+    \left(e^T \cdot M(e) \cdot e\right)^{\sfrac{3}{2}}} \, \Delta\phi \,
+    \Delta\rho.
+\end{equation}
+\begin{figure}
+    \centering
+    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{fig/area_argument.png}
+    \caption{
+        We see that for any reasonable family of lines (i.e.\ we do
+        not leave any unneccessary gaps), the area covered by a blue
+        square, $\delta^2$ is equal to the area covered by a red
+        rectangle $\Delta \rho \norm{e_k}$, as there will be the same
+        number of blue squares and red rectangles if we cover the whole
+        plane.
+    }
+    \label{fig:area_argument}
+\end{figure}
+Assuming some regularity on our curve, and that our discretization is
+somehow fine, we approximate $n_C(e)$ by a function which is $1$ if $C$
+crosses $e$ an odd number of times, and $0$ if not, meaning that we
+ignore multiple passes across $e$ and only care about if $C$ goes from
+one side of $e$ to the other. Further, as can be seen in Figure
+\fixme{some figure with lines etc.}, the distance between lines in line
+family $k$ is $\Delta \rho_k = \delta^2 / \norm{e_k}$. Thus the curve
+length is approximated by
+\begin{equation}
+    \abs{C}_R \approx \sum_{e} n_C(e) \, \frac{\norm{e}^2 \det M(e)
+    \, \delta^2 \, \Delta\phi}{2 \left(e^T \cdot M(e) \cdot
+    e\right)^{\sfrac{3}{2}}}.
+\end{equation}
+
+\fixme{We now have the problem that $C$ is a curve, but later we want it
+to be a cut...}
 
 \section{Graph cut formulation}