notes and added 3 more image datasets
[tecorrec.git] / NOTES
blobaca1618559c6c7da5788f04422fee00b574fbf38
1 Efficient rendering of terrain elevation model
3 start with some top level cells
5 Thursday 20th Nov
6   terrain elev (errors)
7     naive interpolation
8   evaluation
9     views from google earth
10     qualitative
11   image data + info viewing / illumination
12     >1? - resampling
13   resampling together
15 Thurday 27th Nov
16   projection of imagery is not linear lon/lat
17     use gdal library to open file and get projection, and translate between projections
18   found another source of elevation data
19     3arcsec srtm with voids filled in using high resolution relief maps
20     1arcsec same format but made before the above with same maps
21       higher res, but SRTM is more accurate
22   elevation interpolation
23     tried bilinear and bicubic
24     quite a few anomolies
26   meeting
27     segmentation
28       [ ] comparing two regions in different datasets
29       [ ] get source from shadow guys
31 Monday 1st dec
32   using discontinuity measure with mid range IR
33     mir lights up rocks not in shadow, so discontinuity *(1-mir) could work
34   initially working with discontinuity measurement
35     saturation screws up with a lot of it
36     its then that i realised that of course shadow is never saturated
37     any saturated area can be discounted as non-shadow
38     shadows are generally dark throughout the channels
39     so multiply by (1- each channel value)
40     low (unsnowed) vegetation still shows up as shadow
41       is that because its shadows in the complexity of trees etc?
42       these areas have accurate SRTM data
43       perhaps we can use this to prove that they cannot be in shadow
44     characteristics of a cast shadow as travel away from light
45       area of light
46       area of self shadow - we can find this from the elevation data
47       area of cast shadow
48       area of light
49     therefore an area of light followed by an area of shadow
50       without self shadow in between is false
52 Thursday 4th Dec
53   raytracing
54     simple, per pixel towards light until hits terrain
55   edgetracing
56     edges of sun visibility projected into floor
57   lambertian shading
58   meeting
59     negative product might not work as with rgb, but quite good here
60     doesn't work well in non snowy areas
61     constraints transititions along light path of illuminated, self shadow, cast shadow
63 Monday 8th Dec
64   shadow classification isn't great using simple method
65   we could use some PAT techniques
66     features could be log chromaticity values
67     classifications are shadow/non-shadow
68     could restrict to only pixels negative-product classifies as shadow
69   interface
70     menu export->condition in selection
71     condition is channel and threshold (=0.5)
72     list of available channels
73     list of output channels
74     buttons to transfer between, and move up and down
75   generalised negative product
76     now product of powers of negative channels
77     can bias channels, so thermal IR has more effect at eliminating shadows than the others
79 Tuesday 9th Dec
80   [ ] improve shadow classification using self-shadow -> cast-shadow constraint
81   [ ] start terrain improvements
82       [ ] firstly apply 
84 thursday 11th dec
85   [X] error function in terms of parameters
86   [ ] find derivitive (numerically)
87   [X] gradient descent
88   [X] threshold as another parameter or minimise threshold each step
89   [ ] could plot wavelength - importance to shadow classification
90   [X] whether throwing away channels would help - minimiser would solve
91   [ ] test that constraint equations hold on training data (russion relief maps)
92   [ ] take some lines in direction of sun, and do the plot
93       [ ] smooth out small variations between shadow types
94   [ ] ambient occlusion with hemispheres
95       [ ] "shape from shading on a cloudy day"
96   [ ] shape from shading - two images - intersection of cones
97   [ ] scatter plot between angle and colour in shadows
98       [ ] look good on report
99   [ ] lit review before christmas
101 Sunday 14th Dec
102   gradient descent
103     hold off on thresholding
104     error = number of incorrect classifications
105     as threshold goes from 0 to 1, crossing a pixel value
106       pixels in shadow go incorrect
107       pixels in light go correct
108     create a number of bins in range, e.g. for each slider value
109     single pass through pixels
110       if classified as shadow: +1 to bin
111         as threshold hits that value, error will increase
112       if classified as non-shadow: -1 from bin
113         as threshold hits that value, error will decrease
115 mon 15th dec
116   gradient descent comes up with something like:
117     threshold: 2.47319e-6
118     0.9, 1.2, 0.8, 2.6, 19.5, 14, 10.7, 8.5, 3.3
119     when adapted to larger terrain, optimal threshold is: 1.8692e-6
120     error ~6.32%
121   another gradient descent:
122     threshold: 0.000581442
123     0.1, 0.8, 0.9, 0.9, 15.8, 7.2, 6.2, 6.9, 2.8
124     error ~6.26%
126 tue 16th dec
127   added elevation channel, showing void
128   when change lambertian shading to light from top, and go high resolution
129     do voids appear darker, i.e. significantly steeper?
130     there's definitely some relationship, but its not entirely accurate
132 Thu 18th dec
133   lit review
134     about 6 papers per section
135     terrain
136       any attempt at estimation
137       Edwin did radar shape from shading
138       "francot" "chalaper" - surface integration
139       shape from shading from snow covered terrain
140     multispectral stuff
141     srtm paper?
142       yes
143       section on data sources
144         sensors etc
145         adv/disadv, accuracy
147   try gradient descent on big terrain area
148     check if it holds generally
149   scatter plots
150     normal angle to sun / value
151     normal z component / value
153 Thu 15th jan
154   shadow edge dictionary - low level (finding edges) -> higher level (meaning)
155   shadow rules
156     will ?[cg]ause? any problem
157     tree/graph/finite state automata
158     tree of allowed rules
159     Consistency - what to do when not
160     cost with moving
161     confidence in how good
162     minimal cost change
163     smoothness across
164   general rules - state machine
165     do sample - check consistent
166     add shading to cost
168 cost function
169   variables to include
170     change of height values (appropriately scaled)
171       (h-h0)^2 * certainty
172     shadow entrance constraints
173       difference of gradients to tangential
174         (-dh/dw - sin(elev_sun))^2
175       negative change in gradient
176         max(0,d^2h/dw^2)^2
177       elevation relative to transition exit, from elevation of sun
178         (h_exit+(w_enter-w_exit)*sin(elev_sun) - h)^2
179     total rate of change of gradient (smoothness) in both directions
180       (d^2h/dx^2)^2
181       (d^2h/dy^2)^2
182     shadow elevation constraint - below line between entrance and exit
183       (max(0, h - (h_exit*(w_exit-w) + h_enter*(w-w_enter)) / (w_exit-w_enter)))^2
184     lit pixels must be facing the sun
185       min(0, -dh/dw - sin(elev_sun))^2
186     angle between normals and shape-from-shading/occlusion normals
187       factoring in reliability of shape-from-shading (e.g. snow/rock)
188   requirements
189     quick access to a pixel's sun direction shadow entrance/exit
190     elevation field upsampled to match imagery?
192 Thur 22nd Jan
193   [ ] plot theta(N,L)/I to check shading is accurate
194   for shadow and non shadow
195   should look like cos in sun
196   tell us albedo (x=0), reflection when face on
197   [ ] what shape for shadow region?
198   integrate over L for occlusion
199     imagine hemisphere on surface (slanted)
200     the bottom part is cut off (horizon)
201     -- we integrate from one side to the other, across the slope
202     -- integrate the L.N across the points in the arc of a circle
203     albedo*L*int(0,pi, int(theta,pi, L.N dx) dy)
204     -- N is (0,0,1)
205     -- L is (cos(x)*sin(y), cos(y), sin(x)*sin(y))
206     -- L.N = sin(x)*sin(y)
207     albedo*L*int(0,pi, int(theta,pi, sin(x)*sin(y) dx) dy)
208     -- sin(y) doesn't depend on x
209     albedo*L*int(0,pi, sin(y)*int(theta,pi, sin(x) dx) dy)
210     -- int sin(x) dx = -cos(x)
211     albedo*L*int(0,pi, sin(y)*[-cos(pi)+cos(theta)] dy)
212     -- cos(pi) = -1
213     albedo*L*int(0,pi, sin(y)*[1+cos(theta)] dy)
214     -- [1+cos(theta)] doesn't depend on y
215     albedo*L*[1+cos(theta)]*int(0,pi, sin(y) dy)
216     albedo*L*[1+cos(theta)]*[-cos(pi) + cos(0)]
217     -- cos(pi) = -1, cos(0) = 1
218     albedo*L*[1+cos(theta)]*2
219     -- rearrange
220     2*albedo*L*(1+cos(theta))
222 Monday 26th Jan
223   so to implement the above cost function, we need at each pixel:
224     current elevation (turn into height map)
225     gradient in light directions
226     rate of change of gradient in x, y, light direction
227     whether classified as shadow, or lit
228     whether on a boundary of shadow and light
229     sun elevation and direction
230     if in shadow:
231       distance to and current elevation at shadow entrance and exit in light direction
233 Tue 27th Jan
234   now we have shadow depth channel in each direction
235   new channel to optimise elevation
236     must be able to take multiple datasets
237     also adjusts corrected elevation values in DEM
238     inputs
239       previous elevation (internal)
240       shadow classification, shadow depths
242 Thur 29th Jan
243   We really need to know distances accurately
244   coordinate spaces
245     geographical
246       can calculate short distances easily, given radius
247       can convert to texture space
248     texture space
249       can convert to geographical
250       can't directly calculate distances
251     ideally need to optimise in a geographical texture space
252       resample shadow
253   19:13 - tried with roughness, variance, lit facing and travision elev
254     hard to get coefficients right so that it does the smoothing
255     better result when learning rate is constant
257 Wed 4th Feb
258   earlier in the week got all channels into geographical space, resampled
259     on loading. this should make it more convenient to optimise using multiple
260     data sets later on.
261   now updates digital elevation model with optimisation
262   now need to get optimisation improved!
264 Thur 5th Feb
265   [ ] graphs lit/nonlit
266   [ ] project title
267       "shadow segmentation"
268       "satellite imagery"
269       "multispectral"
270       "elevation correction"
271       "void filling"
272       "correction of terrain elevation data using shadow segmentation of multispectral imagery"
273       "fine scale correction of terrain elevation data using terrain imagery"
274   [ ] statement of ethics talk by alistair
275   [ ] elevation correction
276       [ ] tackling wall problem
277           [ ] intermediate smoothing
278           [ ] start at low resolution, and increase resolution as we get closer
279               [ ] moving blocks of pixels at a time
280           [ ] when moving pixels, move others in range, like blender does
282 Mon 9th Feb
283   used falloff function when editing verticies
284     gaussian is very very slow
285     linear is much faster, still slow, but converges faster than before
286     massive dip on each side because forgot to max(0,x)
287   overshoots because no constraint to keep shadow areas below shadow line
288     add shadow line constraint - not working yet, pushing terrain down
290 Tue 10th Feb
291   landsat 5 data now loads
292   need to make it possible to work on multiple datasets
293     colour map widget
294       [X] add groups to ColourMapWidget
295           simple addGroupSeparator(const QString& name)
296     [X] global channel manager for optimisation and terrain channels
297     [X] elevation optimisation of multiple image datasets
298     [ ] fix export to work on multiple datasets
300 Thur 12th Feb
301   works on multiple datasets, slowly
302   new problem, not updating textures during mid-optimization refresh
303   optimization gui
304     [ ] for each weight, also have constant/increase/decrease option
305     [ ] setting for dh
306     [ ] setting for linear falloff limit
307   DEM gui
308     [ ] keep DEM in memory when switching
309     [ ] save corrected values
310     [X] compare DEMs
311     [ ] simplify - corrected values are separate DEM (primary, secondary)
312         [X] select primary and secondary DEM
313         [ ] void-fill performed on primary DEM
314         [ ] corrections written to secondary DEM
315         [ ] initialised with new secondary DEM copied from primary
316         [ ] new elevation data
317             [ ] select custom resolution
318             [ ] copy from another DEM
319         [X] select to display primary or secondary DEM, OR...
320         [X] compare primary, secondary DEM
321             [O] slider with partial updating of textures too (periodically)
322             [ ] channel to compare primary and secondary
324 Mon 16th Feb
325   need to get on with write up
326   added DEM comparison channel - allows quantitative comparison of std deviation
327   John Clark in CRY L10 Non standard cracking
328     when optimizing, make problem harder to get better results
329     in context of perceptron problem
330     move boundary of punishment so values are further from border and
331       less likely to cross it again soon
332       may be very unlikely to solve strict problem but gives us better
333         solution to our problem in the process
334   Negative product optimization implications
335     instead of error being number of incorrect pixels
336       error is sum distance on wrong side of boundary
337       e.g. if np=0.2, shadow, th=0.3, err=th/np=3/2
338     [ ] could also try simulated anealing
340 thu 19th feb (02:10)
341   got more image datasets with much lower solar elevation
342     very pronounced shadows (a bit too big in fact!)
343     haven't tried optimizing yet
344     ideally need to get a good set of different solar positions
345     plot solar positions in 2d plot to show variation
346   it also occurred to me that for the purposes of testing the algorithm
347     could generate shadow classification directly from raytracing with
348     some specially chosen sun direction (pretending we've done the
349     shadow classification correctly on some fictional image dataset)
350     e.g. to get a higher azimuth than 160deg, its always morning atm
352 fix list
353 [ ] seems - not important
354 [ ] when creating texture for region, don't up sample, select larger area
356 todo
357 [X] proper texturing
358     [X] selection of channels to display
359 [ ] more sensible sampling of elevation data
360     [X] edges of box should interpolate
361     [X] inner vertices should be sensible
362 [ ] srtm
363     [X] basic linear interpolation
364     [X] spline interpolation
365     [X] gui to toggle {flat, unprocessed, corrected -> refined}
366     [ ] self shadow lines
367         [ ] different colours for ridges and valleys
368 [ ] interaction
369     [X] focus extended altitude
370     [X] mouse click -> lon lat transformation
371     [ ] terrain grab while dragging
372     [X] selection of region
373     [ ] region image preview (full resolution)
374     [ ] multiple viewports
375         [ ] interaction (observers) can be locked together
376         [ ] data view can be locked together
377 [ ] image processing
378     [ ] should be able to add processing bands to those on the colour mapper
379     [X] input bands should be derivable from digital elevation model
380         e.g. could do calculations in world space instead of texture space
381         [X] get texture space normal at a pixel
382         [X] get texture space lighting direction at a pixel
383         [X] get elevation at a pixel
384         [X] get geographical coordinate at a pixel
385         examples
386           [X] shadow from DEM
387           [X] lambertian shading (automatic self shadow detection)
388           [ ] combination of the two (pixel product)
389           [ ] chromaticity based on lambertian shading shows colour
390 [ ] shadow detection
391     [X] in region, detect shadow areas
392         [X] from imagery
393         [X] from elevation data using raytracing
394     [ ] vectorisation
395     [ ] border and highlight in both views
397 texturing
398   problems
399     textures are BIG
400       8401 x 7461 - 63MB  x6
401       4201 x 3731 - 16MB  x2
402       16801 x 14921 - 250MB x1
403       660MB
404   solution
405     downsample entire image to a reasonable size
406       1/8 x 1/8 = 1/64th size = ~10MB
407       or use the thumbnail in each image
408     when a portion of the image is desired in higher detail
409       reload portion of the image at full resolution
410       1/8 x 1/8 = 1/64th size of image
411     when a portion of the image is no longer being used
412       discard of it
414   class tcBigImage
415     width, height
416     thumbnail texture
417     rows, cols
418     cells[rows][cols]
419       texture
420       image data
422 image processing
423   image data should be made up of channels
424     some channels are source bands from GeoTIFF files
425     some are derived from other channels
426   tcChannelManager
427     manages a set of channels that are referred to in a colour map widget
428   tcChannel
429     functionality for keeping data around so as not to have to reload
430       after creating GL texture
431     results can be floating point, bytes, bits
432     histograms and various plots based on the pixel data
433     data changed event triggers invalidation of textures
434       and invalidation of channels derived from this channel
435   tcChannelConstant : tcImageChannel
436     constant colour - e.g. black (for a null channel to avoid clicking rgb each time)
437   tcChannelFile : tcImageChannel
438     data from a GeoTIFF file
439   tcChannelProcess
440     acts on a number of input channels to produce a number of output channels
441     can be configured with a gui
442   tcChannelProcessChromaticity : tcChannelProcess
443     divide a set of channels by another channel or a value
444     out: float
445   tcChannelProcessIlluminantInvariant : tcChannelProcess
446     input log chromaticities
447     can configure illuminant direction
448       if two dimentions, use a dial
449       for > 2 dimentions, select a shadow / non shadow adjascent bit of image
450         or select multiple such known shadow changes and average
451         find variation vector from this
452         easy to reuse this vector
453   tcChannelProcessIlluminantDiscontinuity : tcChannelProcess
454     see cic13
455     shows discontinuity between adjascent pixels in x or y direction
456     i.e. you might show two of these in different colour channels
458 renderCell
459   determine if we need to subdivide quality in this cell
460     if we're close, then we do
461     find distance from each corner 
462     use distance[i] < max(dist(corner[i], corner[j]))*factor
463   if we should subdivide
464     renderCell on each of the 4 subdivisions
465   determine the quality at this level
466     find distance to center
467     apply magic function to find detail level
468     render the cell in this detail level