Hardware-accelerated algorithms in visual computing

Abstract

This thesis presents new parallel algorithms which accelerate computer vision methods by the use of graphics processors (GPUs) and evaluates them with respect to their speed, scalability, and the quality of their results. It covers the fields of homogeneous and anisotropic diffusion processes, diffusion image inpainting, optic flow, and halftoning. In this turn, it compares different solvers for homogeneous diffusion and presents a novel 'extended' box filter. Moreover, it suggests to use the fast explicit diffusion scheme (FED) as an efficient and flexible solver for nonlinear and in particular for anisotropic parabolic diffusion problems on graphics hardware. For elliptic diffusion-like processes, it recommends to use cascadic FED or Fast Jacobi schemes. The presented optic flow algorithm represents one of the fastest yet very accurate techniques. Finally, it presents a novel halftoning scheme which yields state-of-the-art results for many applications in image processing and computer graphics.

Diese Arbeit präsentiert neue parallele Algorithmen zur Beschleunigung von Methoden in der Bildinformatik mittels Grafikprozessoren (GPUs), und evaluiert diese im Hinblick auf Geschwindigkeit, Skalierungsverhalten, und Qualität der Resultate. Sie behandelt dabei die Gebiete der homogenen und anisotropen Diffusionsprozesse, Inpainting (Bildvervollständigung) mittels Diffusion, die Bestimmung des optischen Flusses, sowie Halbtonverfahren. Dabei werden verschiedene Löser für homogene Diffusion verglichen und ein neuer 'erweiterter' Mittelwertfilter präsentiert. Ferner wird vorgeschlagen, das schnelle explizite Diffusionsschema (FED) als effizienten und flexiblen Löser für parabolische nichtlineare und speziell anisotrope Diffusionsprozesse auf Grafikprozessoren einzusetzen. Für elliptische diffusionsartige Prozesse wird hingegen empfohlen, kaskadierte FED- oder schnelle Jacobi-Verfahren einzusetzen. Der vorgestellte Algorithmus zur Berechnung des optischen Flusses stellt eines der schnellsten und dennoch äußerst genauen Verfahren dar. Schließlich wird ein neues Halbtonverfahren präsentiert, das in vielen Bereichen der Bildverarbeitung und Computergrafik Ergebnisse produziert, die den Stand der Technik repräsentieren.