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Statistical relational learning of semantic models and grammar rules for 3d building reconstruction from 3d point clouds

Titel in Übersetzung: Statistisches relationales Lernen von semantischen Modellen und Grammatikregeln für 3D Gebäuderekonstruktion aus 3D Punktwolken

Abstract

Formale Grammatiken eignen sich sehr gut zur Schätzung von Modellen mit a-priori unbekannter Anzahl von Parametern und haben sich daher als guter Ansatz zur Rekonstruktion von Städten mittels 3D Stadtmodellen bewährt. Der Entwurf und die Erstellung der dazugehörigen Grammatikregeln benötigt jedoch Expertenwissen und ist mit großem Aufwand verbunden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Verfahren entwickelt, die diesen Aufwand unter Zuhilfenahme von leistungsfähigen Techniken des maschinellen Lernens reduzieren und automatisches Lernen von Regeln ermöglichen. Das Lernen umfangreicher Grammatiken, die die Vielfalt und Komplexität der Gebäude und ihrer Bestandteile widerspiegeln, stellt eine herausfordernde Aufgabe dar. Dies ist insbesondere der Fall, wenn zur semantischen Interpretation sowohl das Lernen der Strukturen und Aggregationshierarchien als auch von Parametern der zu lernenden Objekte gleichzeitig statt finden soll. Aus diesem Grund wird hier ein inkrementeller Ansatz verfolgt, der das Lernen der Strukturen vom Lernen der Parameterverteilungen und Constraints zielführend voneinander trennt. Existierende prozedurale Ansätze mit formalen Grammatiken sind eher zur Generierung von synthetischen Stadtmodellen geeignet, aber nur bedingt zur Rekonstruktion existierender Gebäude nutzbar. Hierfür werden in dieser Schrift Techniken der Induktiven Logischen Programmierung (ILP) zum ersten Mal auf den Bereich der 3D Gebäudemodellierung übertragen. Dies führt zum Lernen deklarativer logischer Programme, die hinsichtlich ihrer Ausdrucksstärke mit attributierten Grammatiken gleichzusetzen sind und die Repräsentation der Gebäude von der Rekonstruktionsaufgabe trennen. Das Lernen von zuerst disaggregierten atomaren Bestandteilen sowie der semantischen, topologischen und geometrischen Beziehungen erwies sich als Schlüssel zum Lernen der Gesamtheit eines Gebäudeteils. Das Lernen erfolgte auf Basis einiger weniger sowohl präziser als auch verrauschter Beispielmodelle. Um das Letztere zu ermöglichen, wurde auf Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen, Entscheidungsbäumen und unsichere projektive Geometrie zurückgegriffen. Dies erlaubte den Umgang mit und die Modellierung von unsicheren topologischen Relationen sowie unscharfer Geometrie. Um die Unsicherheit der Modelle selbst abbilden zu können, wurde ein Verfahren zum Lernen Gewichteter Attributierter Kontextfreier Grammatiken (Weighted Attributed Context-Free Grammars, WACFG) entwickelt. Zum einen erfolgte das Lernen der Struktur von Fassaden –kontextfreier Anteil der Grammatik – aus annotierten Herleitungsbäumen mittels spezifischer Support Vektor Maschinen (SVMs), die in der Lage sind, probabilistische Modelle aus strukturierten Daten abzuleiten und zu prädizieren. Zum anderen wurden nach meinem besten Wissen Methoden des statistischen relationalen Lernens (SRL), insbesondere Markov Logic Networks (MLNs), erstmalig zum Lernen von Parametern von Gebäuden sowie von bestehenden Relationen und Constraints zwischen ihren Bestandteilen eingesetzt. Das Nutzen von SRL erlaubt es, die eleganten relationalen Beschreibungen der Logik mit effizienten Methoden der statistischen Inferenz zu verbinden. Um latentes Vorwissen zu modellieren und architekturelle Regelmäßigkeiten auszunutzen, ist ein Verfahren zur automatischen Erkennung von Translations- und Spiegelsymmetrien und deren Repräsentation mittels kontextfreier Grammatiken entwickelt worden. Hierfür wurde mittels überwachtem Lernen ein SVM-Klassifikator entwickelt und implementiert. Basierend darauf wurden Algorithmen zur Induktion von Grammatikregeln aus Grundrissdaten entworfen.
Titel in ÜbersetzungStatistisches relationales Lernen von semantischen Modellen und Grammatikregeln für 3D Gebäuderekonstruktion aus 3D Punktwolken
OriginalspracheEnglisch
Gradverleihende Hochschule
  • Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Plümer, Lutz, Betreuer, Externe Person
  • Stachniss, Cyrill, Betreuer, Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2016
Extern publiziertJa

Schlagwörter

  • Gewichtete attributierte kontextfreie Grammatik
  • Gebäuderekonstruktion
  • Support-Vektor-Maschine
  • Induktive logische Programmierung
  • Markov-Logik-Netz
  • Symmetrie
  • Unsichere projektive Geometrie

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