TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3272 ~ 32 8 0   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.4946          3272     Re cei v ed O c t ober 1 7 , 201 3; Revi se d Novem b e r  26, 2013; Accept ed De cem b e r  12, 2013   Automatic 3D Model Annotation by a Two-Dimensional  Hidden Markov Model      Guo Jing* Z hou Mingqu an, Li Chao   Coll eg e of Information Sci enc e and T e chno l o g y , North w e s t Universit y , Xi’ an, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : apal ad a@so hu.com       A b st r a ct  In this p a p e r,  a n e w  met hod  of 3D   mod e aut o m atic  an n o tation  is  prop osed  bas ed  o n  a tw o- dim e nsional Hidde n Mark ov  Model (2-D  HMM).  Growing importance  in the last year s Hidden Mar k ov   Mode ls are a  w i dely use d  method ol ogy for sequ enti a dat a mo de lin g. Recent year s, H MMs are appl i ed to   researc h  of  aut omatic a n n o tation, suc h   as i m a ges  an mo dels  an notati o n. T he thre e b a sic pr obl e m w i th   HMM-like d   mo del  are  als o  s o lved  in  our   mo del. Our   mod e l i ng  proc ess h a s  tw o steps, th ose  are tra i ni n g   and testin g. In the prop os ed  appr oach, e a c h  obj ect is sep a rated i n to sev e ral b i ns by a  spid erw eb mo de l   and  a sh ap e fu nction  D2  is co mp uted f o r eac h bi n. T hese  f e ature vect ors a r e then  arra ng ed i n  a s e q uen tia l   fashio n to co mpose  a se qu en ce vector, w h ic h is us ed to  trai n HMMs. In 2- D HMM, w e  as sume that fe atur e   vectors are st atistically  de p end ent  on  an  und erlyi ng state proc ess w h ich h a s tran sition pr ob abi li ties   cond ition i n g  the states of two  nei ghb ori ng  bins. T hus the  depe nd ency  of tw o dimens ions is reflect e d   simulta neo usly . To classify  a n  o b ject, the   maxi mi z e d  poste riori prob ab ility   is  ca lcul ated by  a give n mo de l   and  the  obs erv ed s equ enc e o f  an u n kn ow n o b ject. C o mpar i ng w i th th e g e n e ral  HMM, 2-D  HMM gets  mor e   infor m ation from  the neig hboring bins. So the system  of  2-D HMM perform s well on im ages and mode ann otatio n. Analysis a nd ex p e ri ment al resu l t s s how  that the pro pos ed  appr oach  perf o rms b e tter than   existin g  on es in datab ase.     Ke y w ords   3D mod e cl a ssificatio n hid den mark ov mo de l,  tw o-dime nsi ona hi d den mark ov mo de l,  expectati on  ma ximi z a tio n  (EM) algorit h m     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. lntroduc tion   In the past few years, we have observe d the av ailabi lity of technol ogie s  for the effective  acq u isitio n of  digital 3D  m odel s of re al  obje c ts , the e s tabli s hme n t of open  stan d a rd s for  3D  d a ta   interchan ge, and the increasi ng u s e o f  3D model in a variety of applicatio ns in medi ci ne,  engin eeri ng, and cultural heritag e etc.  As a re su lt, many colle cti ons of 3 D  m odel s are  cre a ted  and are available for stu d y  and usag e, such as  Pri n ceto n Unive r sity [1, 2], N a tional Tai w a n   Univers i ty [3, 4], Kons tanz  [5, 6]etc .    To ma ke  full  use  of a d van t ages of exi s ting digi tal  3 D  data,  cla ssifi cation  is usu a lly the   first ste p . Putting the u n kn own  sa mple i n to a p r ed ef ined o b je ct cl ass [7, 8] is the ba si c targ et of  3D mo del cl a ssif i cat i on.  I n  some p r a c t i cal ap p lications such as  Molecu la r Biology, Astron omy,  Mech ani cal E ngine erin g, M edical Imag e s  et c, we  onl y need to  kn ow the  lab e of the obj ect.  So   cla ssifi cation  is very valuab le in so ciety and economy.   Gene rally, p eople try to  descri p tion a  3D obj ect b y  characte rs.  Description  of a 3D  model in clud es glo bal an d local featu r es. Ma ny  algorithm s are  used to extract featu r e s  of  model s. O s a da u s ed  sh a pe di stributio ns [9] a s  th e glob al feat ure to  rep r e s ent 3 D   sha pe.  Surface cu rv ature s  [10] are e s timate d at a  geo metry vertex of the 3D obje c t mesh  by  con s id erin g the variatio ns of the surfa c e no rmal  over the platel e t  of vertex. T hese algo rith ms  mainly  focus on  the   glob al   feature s  of a  3 D   mo del. Other metho d s rep r e s e n t 3D  m odel s b y   a   seri es  of local sha pe feat ure s  [11]. Th ese m e t hod s which ad opt  visual features for  simila rity  comp ari s o n  g r adu ally co m e  to a reali z a t ion of  its limi t ations. Th ese metho d assume  that th ere  is an i nhe ren t  mapping  be tween l o w-le vel feature s   and hi gh-l e ve l sema ntics. No w, it beco m es  clea r that th e assum p tio n  doe s n o t hold for  man y  application s . Ho w to n a rrow  do wn  the  sema ntic ga p  still remain an ope n issu e. Auto matic model an nota t ion has em erged a s  a maj o approa ch to b r idge the  sem antic ga p.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Autom a tic 3D Model Annot ation by a T w o-Dim e n s ion a l Hidd en Ma rko v  Mo del (Guo Ji ng)  3273 In this pape r, a new metho d  of 3D mode l aut omatic cl assificatio n  is propo se d ba sed on   2-D  HMM. HMM is intro d u ce d as a  ge neral fr ame w ork fo r conte x t depende nt classifie r s.  Our  method co nst r uct s  a statist i cal stru ctu r e by  2 - D HM M. The  ob servation of  HM M is de scrib e d   by a set of l o cal  feature  vector s. Th seq uen ce i s   then a r range d by a  ce rtai n fashion th a t  is  related to glo bal feature s . The structu r e  in the  classi fication algo ri thm takes mi xture of glob al  and local feature s  in 3D m odel as its cl a ssifi cation crit erion  whi c h p e rform s  very well in pra c tice.  The  re st of t he p ape r i s   o r gani ze d a s  follows.  Se cti on 2  i s  p r evi ous works o n  HMM.  Secti on 3  pre s ent s gen eration of the  2-D  HMM. Section 4 i s  o u tline of our  algorith m . Experim ent re sults  are sho w n in  se ction 5. Section 6 is a  su mmary of the full.      2. Pre v ious  Work s on HMM  Since th e th eory of  hidd e n  Ma rkov mo dels (HMM  s) was devel o ped i n  the  1 960 s by  Baum a nd P e trie  (19 6 6 ) Baum a nd E agon  ( 1967 ),  Baum  (1 972 ), HM Ms hav e be en  wid e l y   applie d to  sp eech recognit i on context [1 2]. And it is   o n ly in the la st  decade  that  they have b e e n   widely u s e d   for several  o t her ap plications, a s  h a n d written  ch aracter re co gni tion, DNA a nd  protein m odel ing, gestu re reco gnition, a nd beh avior a nalysi s  and  synthesi s  etc.   Re cently yea r s, HMM i s  a p p lied to  auto m atic  cla ssif i cat i on,  su ch  as  im age s an mod e ls  cla ssifi cation.  In ima g e s   cl assificatio n , p r eviou s   wo rk  extended  the   1-D  HMM [1 3 ], a p s eu do  2 - D   HMM [1 4, 15 ] and  2D HM M [16]. To  cl assify image s, the sample s are  divide d i n to blo c ks,  a nd  feature s  of bl ocks a r com puted for giv en a se que nce of obvious.  [13] pre s ent s a spatial - HM (SHMM )  for  automatically cla ssifying  a nd an notat in g natu r al ima ges. T w ge nerali z atio n o f  the  traditional  HMM are train ed in the sen s e that  both vertical an d hori z ontal tra n sition s betwee n   hidde n states are take n into con s ide r ati on. J.Li  et al.  [16] propo se d  a new 2D M H MM to cla ssify  image s into  categ o rie s   and p r op aga te annotatio ns fro m  keywords  whi c h  were man u a lly  assign ed to  those  categ o ri es. O n e  of ex ist issu es  of t hese m e thod s i s   cho o si ng  bloc k si ze s.   T he  same  proble m  also  exist s  in 2 D   HM M. To  solve  this p r oble m , some  m e thod s in  si gnal  pro c e ssi ng a r e p r op osed.  Trelli s codin g  [17]  in ima ge comp re ssi on provide s   an exampl by  usin g context   inform ation. Other  works [18,  19]  have  looked into  ways of takin g  advantage  of  context information to improve  classifi cation p e rfo r mance. Both block  si ze s and cl assification   rule s can vary accordi ng t o  co ntext. The impr ove m e n t achieve d   demon strates the potential  of  c ontext to help c l as s i fic a tion.       3. Genera tio n  of 2D  HMM   In the proce s s of Cl assification, one  HMM is  trained  for ea ch  cla s s of obj ect s . We u s a   first-o r de HMM for trai ni ng. A stand ard HMM i s  d e fined a s  a  sta t e seq uen ce  12 (, , . . . , ) T q qq q   and ob se rva b le se que nce  12 ( , , ... , ) T o oo o gene rated  by the state seq uen ce.  Similarly, we  con s id er that  observabl e fe ature ve ctors of 3D  obje c t’s surfa c poi nts a r e relate d to the  spati a stru cture of 3D obje c t. Practi cally ob servable  featu r e vecto r s a r e obse r vabl e  and the spa t ia stru cture of 3 D  mod e l is u nob serva b le. For exam ple,  a car m odel i s  co nstituted  by the body a n d   the bottom  of the four wheels . In  o r d e r t o  mod e l relati on bet wee n   spatial st ru cture and  ob se rved  feature vecto r , a set of observation s of traini ng o b ject s are used to e s timate HM M  param eters.    3.1. Definitio n  of Hidde n Markov  Model   To de scrib e  p r ocess  of pro duci ng the  pa ttern , a first o r de r Hi dde Markov Mo de l, which  statistical stru cture i s  depi cted by a para m eter vecto r   (, , ) A B    , is defined a s  followi ng.   : The initial state probabilit y dist ribution,  representing  pr obabilities of initial  states, that is to  say ,   1 [] ii P qs  1 iN  A : The state transitio n matri x ij A a  , where  1 [] , 1 ij t j t i aP q s q s t T   ,  s a tis f ying 1 1, 1 , N ij j ai j N  .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3272 – 32 80   3274 B : The con d itional pro babilit y matrix,  ={ (k)} , j B b  sat i sf y i ng  () [ ] , j j k t kP q b s v   w h er N  is  the numbe r o f  states,  M is the numbe r of observation s.     3.2. Observ a ble Sequenc e of t w o - dim e nsional HM The  spa c e o f  3D obj ect i s  de com p o s ed by a  spid erweb m odel [9], as illust rated by  Figure 1. In  Figure 1  start i ng from  po si tive  dire ction  of the first  pri n cipl e axis  1 U    each bin i s   observed  se quentially  by clo c kwi s e  to get  an  ob serva b le  se q uen ce. Th e f eature  vecto r  is  extracted i n  e a ch bi n by sh ape fun c ti on  D2[20]. The f eature ve ctor  of bin  (, ) ij is de no ted by  , ij o , where  (, ) ij rep r ese n ts the j-t h  bin of the i-th sh e ll. He nce a  3D o b j ect co rrespo nds to a n   observabl e seque nce as  0, 0 0 , 1 , ( , , . .. , . .. ) ij O oo o , 0 , 1 , 2, . .., 1 iw , 0, 1 , 2, ... , 1 jj z   3.3. Prepare d  Work on 2 D  HMM    The 2D HMM  assu me s that feature vectors  a r e ge nerated by a Markov mod e l that may  cha nge  state  on ce eve r y  bin. Th e transitio p r ob abilities  co nd ition on th e  state s  of t w neigh bori ng b i ns sho w ed in  Figure 2.   Suppo se that  there a r M states {1 , . . . , } M , and the  state of bin (, ) ij is den oted by , ij s . The feature  vector of bin (, ) ij is , ij o . Denote ' ' (, ) ( , ) ij j i , i f   ' <i i or  ' i i  and  ' j j , in  whi c h ca se, we say  that  the  bin ' ' (, ) j i is before bin (, ) ij . In 2D  HMM, we ma de an  assum p tion   that  '' '' ,, , , , ' ' :( , ) ) (, ij m n l jj ii j i P ss o a  , wh ere  '' '' {( , ) : , ( , ) } ij jj ii  1, , 1 , ,, i j ij ij mn l s ss   . In above assumptio n , we  cal c ulate the  transitio n probability of o n e   state by  kno w ing th states of th e two adja c e n bi ns in  da rker  sha de in  figu re 2. T he  st ate  transitio n of 2 D  HM M is ex plaine d by Fi gure  3.  The  seco nd a s sum p tion is that t he den sity of the   observation   o in state  s  follows a  Gau s si an di strib u tio n . On ce  th state of  a bi n  is  kn own, the   feature  vecto r  is  co ndition al ly indep end e n t of th e  corresp ondi ng fe ature s   of oth e bins.  Fo r a  bin   with state  s  and feature vect or  o  ,  the distri bution ha s de nsity  1 1 () () 2 1 () (2 ) t s k s s s oo o s be  , where  s  is the cova rian ce matrix, and  s  is the mean  vec t or .           Figure 1. Gen e ration of Ob serva b le Seq uen ce   Fi gure 2. Explanation of Ad jace nt Bins of Bin (, ) ij                      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Autom a tic 3D Model Annot ation by a T w o-Dim e n s ion a l Hidd en Ma rko v  Mo del (Guo Ji ng)  3275   Figure 3. Explanation of State Tran sition  of 2D HMM       4. An Outline of the  Algorithm  An outline of our alg o rithm  is as follo ws.  Step 1 Traini ng   a.  Divide traini n g  obje c ts into  spide r web m odel  an d extract feature vector for e a ch bin.  b.  Select the nu mber of state s  for HM M.  c.  Estimate mod e l para m eters base d  on a set of  obse r vable se que nce s  of training o b ject s.  Step 2 Testin a.  Gene rate ob servable  seq u ence (same a s  step a )  for a testing 3D  obje c t.  b.  Search for t he set of cl asses with  maxi mizing a  posteriori  probability, given the  corre s p ondin g  seq uen ce o f  feature vect ors to the trai ned HM M.    4.1. Training   Given a  set  of ob se rvabl e sequ en ce s O , tr a i n i ng  th e mo de l, is pe r f o r me d us in g  th stand ard Ba u m -Welch re -estimation p r oce dure to determin e  the  param eter  (, , ) A B  tha t   maximizes t he probability () PO . This method is  ba se d on the  well-kno w n Expectatio n   Maximiz a tion (EM) algorithm [21].  The EM alg o rithm p r ovi des  an itera t ive  computa t ion of maximization,  wh en the   observed  dat a a r e in co mpl e te. The  term  “in c om plete”  refle c ts the f a ct that  we  n eed to  e s tima te  the distri butio x  of in sam p le sp ace   , but we can o n ly obse r ve  x  indire ctly  thro ugh  s  in  sampl e  s p a c S  . In many ca se s, there  is a map p in () x sx  from  to  S , and  x  is only  kno w n to lie i n  a sub s et of    , denoted by   () s  , which is d e t ermine d by the eq uation  () s sx   . We po stulat e a family of  distrib u tion () f x , with parameters , on x  . The distrib u tion o f () s () g s  can b e  de rived as () () ( ) s g sf x d x  The EM algo rithm aims at  finding a   th at maximizes  () g s  given an observe d   s  .  Before de scri bing the algo rithm, we introdu ce a fun c tion  '' () ( l o g ( ) , ) QE f x s   that is the  expecte d value of  ' lo g ( ) fx  acco rding to the  con d itional di stributio n of   x  given  s  and  para m eters    . The  expe ctation i s  a s su med to  exist  for  all pai rs , ' ()  . In pa rticul ar, it is   assume d that  () 0 fx for     .    The EM iterat ion  () ( 1 ) pP   is defined as follows.   1) E-step: Co mpute () () p Q 2) M-step: Ch oose  (1 ) P   to be a value of    tha t  maximiz e s () () p Q     When  usi n g HMMs,  a  practi cal  b u t funda men t al issue  to  be  add re ssed i s  the   determi nation  of thei stru ct ure,  namely t he top o logy   a nd the  nu mbe r  of  state s . In  this p ape r, th numbe r of sta t es ca n be ch oosed in ra ng e of 2 to given limitation 10.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3272 – 32 80   3276 Specifically to say, in  E-step, the co mplete data  x   are  ,, {, : ( , ) } ij ij ij so , and the   inc o mplete data  y   are  ,, {,: ( , ) } ij i j ij co  .  Th e function i s  Equation (1).     ,, , 1, , 1 , , (, ) (, ) , '' ' () ( ) ( , ) ' ' ' (: , , ) ( , , : ) ' ' ' .( ,) . ,, mn l m m ij i j ij ij ij ij ij ij fx s P u s sm n l P u s m a P P P a u sss s s                                                  (1)    Then we get Equation (2) from (1 ).     , 1, , 1 , , , (, ) ( , ) ,, ' () ' ' ' lo g l o g lo g ( , ) ij i j ij ij ij ij ij i j x f P ao s ss s s                                   (2)    Furthe r, we  can make the equatio n 3 directly  by takin g  expectatio n s  on Equatio n  (2).     () () () , , 1, , 1 , , (, ) ( , ) 11 ' ' '' (( ) , ) ( ) ( ) ( , ) ,, ,, lo g l o g lo g . pp p ij ij ij i j i j ij ij i j ss fx y P P sy sy o E P a s sss s              (3)     In the M-s t ep, we  s e (1 ) p  to the  '   that max i mize (3) . In equ ation  (3 ), two  part s   can be   maximize d by choo sin g  co rrespon ding p a ram e ters. When maximi zi ng the first pa rt, we define:      () () ,, 1, , 1 , (, )( , , ) ( , ) p p mn l i j ij ij s ij mn l s y ss s P H I                                                           (4)     As the probability of being in state  m  at bin (1 , ) ij  , state   n at bin (, 1 ) ij  ,and state  l  at  bin (, ) ij given the  ob served fe ature  ve ct o r s,   cla s se s,  an d mo d e l () p  . Equatio (5) can  be  de duced from  Equation (4).     () ,, (, ) ,, () ,, 1( , ) (, ) ' (, ) p mn l ij mn l p M mn l ti j ij ij H a H                                                                                                        (5)    Next, co nsi der th e m a ximization  of the  se con d  pa rt in (3 ).  We  let  () () , (, ) ( ) ( , ) p p m ij s ij m P s y I s L  , whi c h i s  the probabilit y of being in  state  m  at blo c k (, ) ij  ,  given the  o b se rved  feat ure  vecto r s,  and  mo del   () p  . T he  ab ove exp r e ssi on i s  th en  () , 1( , ) ' ' (, ) l o g ( , ) M p ij m m m mi j ij P o L   .It is  k n own that for  Gauss i an  di s t ributions , the ML  es timate  ' m of is the  sa m p le ave r ag of the  data, a nd the  ML  e s timate  ' m of  is the  sam p le  co varian ce   matrix of the  data. Since, i n   our  ca se, th e data a r we ighted by  () (, ) p m ij L  , the ML es timat e  of  ' m   and   ' m are:   () , , () , (, ) ' , (, ) p m ij ij m p m ij ij o L ij L ' () , , , () , ' (, ) ( ) () ' (, ) t p m ij ij m ij m m p m ij ij o L o ij L In summa ry, the estimatio n  algorith m  iterativ ely improves the mo del estimatio n  by the  f o llowin g  st ep s.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Autom a tic 3D Model Annot ation by a T w o-Dim e n s ion a l Hidd en Ma rko v  Mo del (Guo Ji ng)  3277 1.  Given the cu rrent mod e ls  () () () ( ) (, , ) pp pp AB  2.  Given the  ob serve d  featu r e vecto r , ij o , th e  me an  vec t or  a n d   c o va r i an c e  ma tr ic es   are up dated  by:      () , , (1 ) () , (, ) , (, ) p m ij ij p m p m ij ij o L ij L (1 ) () (1 ) , , , (1 ) () , (, ) ( ) () (, ) t p p p m ij ij m ij m p m p m ij ij o L o ij L ,     Whe r e,     1, , 1 , , , () () () () , , ,, (, ) ( , ) 1 (( ) ) ( , ) ( ). . . ( , ). i j ij ij ij ij p p p p m ij ij s ij ij ICs c ij I m P s L au sss s s           The transition probab ilities are  updated by:    () ,, , (1 ) ,, () ,, 1, (, ) (, ) p MN L ij p mn l M p MN L li j ij ij H a H   ,      Whe r e,     , () () () () ,, 1, , 1 , , , 1, , 1 , (, ) ( , ) 1 (, ) ( ( ) ) (, , ) . . . ( , ) . ,, ij p p p p MN L i j ij ij ij ij i j ij ij s ij i j ij I C s c Im n l P ss s a u H ss s s s           {( , ) : 0 , 0 } ij i w j z  , refers to all the bin s  of an obje c t.  3.  Rep eat step  2, until  () {} p conve r ge s to som e  con s tant ap proximately.    4.2. Testing   The cla s sifica tion step is p e rform ed by assi gni ng an  unkno wn obj ect to the cla ss of the  model sho w i ng the maximum likelih o od. i.e.,  assigning an u n known item  to the class whose  model  sho w s the maximal likeliho o d arg m ax[ ( )] Po o is an ob se rvabl e  sequ en ce  of unkn o wn  obje c t  that is generated u s ing the above  method.     , , ,, ,, , 1, , 1 , (, ) ( , ) () ( , ) :, , () () ( , , : ) (, ) ij ij mn l m m ij i j ij ij s s sss s s s s ij ij Ps P o s mn l m Po Ps P o s a P au             5. Experiment Re sults   Our expe rime nts are ba se d on the Princeton  Sha pe Bench m ark d a taba se (2 00 5). Thi s   publi c  datab ase  ha s bee n larg ely use d  in obje c t reco gnition lit eratu r e. It co ntains  1814  3D  model s whi c h  have been split into a training dat ab ase and a test databa se. We use mo dels of  training  data base to trai HMM’ s pa ra meters an d t he othe rs of  testing d a tab a se to  test.    We  comp are ou r method  with  adaptive  we ighted a s ym metric  (AdaB oost) hid den  Markov mo dels  (ADHMM) an d Shap Dist ribution  (SD)  prop osed i n  re feren c e s  [2 0 ,  22] an d result sh ow that  our  method pe rfo r ms b e tter.   We teste d  our app roa c by varying the fr ee param eters of the tech niqu es. T he first  experim ent d e mon s trate s   that the a c cu racy  of  ch an ges  und er  di fferent pa ra meters, i.e., the   numbe r of bi ns  L  , and the  numbe r of  states of  HMM s   n . We s e t Lw z , where  w  is n u mb er of  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3272 – 32 80   3278 cir c le s,   z is nu mber  of bin s  in ea ch  circl e . We  do n o t want to  ch o o se  a la rge  size si nce thi s   obviou s ly ent ails  crude   cla ssifi cation. B u t if we   cho o s small  si ze, o n ly very  local p r o pert i es  belon ging to   the sm all bi n  are  examin e d  in  cla ssifi ca tion. Some in formation  ab out surroun di ng   bins i s  negl ected. We set the numb e r of  bins form 1 6  to 80.  We  cho o se  100 m odel s f o rm 2 0   cate gorie of trai ning d a taba se, whi c h m a y includ e   some  cate go ries  su ch a s  h u man, spo r ts_ca r , fight er_j et, etc. In each cate gory, we use 5 mo de ls  to train HM M s  an d the re st to test. From the  Tabl e  1, we can  see that the system pe rforms   unsatisfa ctoril y when 16 L .  Clea rly ,  t he ac cu r a cy  in cre a s e g r adu ally with the numb e r of bin s   L  incre a ses. A c tually, even  i f  we  set  4 n  , th e s y s t em is   a b le  to   r e c o gn ize  th e o b j ec ts   w i th  an   accuracy la rg er than 75%.  In particul a r,  the accu ra cy can a rrive at  98% with 80 , 6 L n  The  se con d   experim ent i s  to inve stigat e the  accu ra cy of th ree  m e thod s. In thi s   stage,  we sele ct 100 obje c ts o f  25 catego ri es (each  category contai ns at lea s t 6 obje c ts) from   databa se. In   each  categ o ry 5 obj ect s   are u s ed  for  tra i ning, the  oth e rs a r used   for te sting. T he  results a r e th en compute d   usin g the be st configu r atio n of paramet ers  de ri ved from the p r evio us  analysi s , i.e. usin g   10 8 , 6 Ln  . The performances of the thr ee methods are illustrated in  Figure 4. It is  clea r that our  method  pe rfo r ms b e tter th an the other  one s.  The la st exp e rime nt is to   demon strate  our te ch niqu e is i n vari ant  to mod e l rotation an transfo rmatio n. And then 15 different  model s ar selecte d  form the databa se.  For each mo del,  we perfo rm 2   scalin (scal e   facto r s:0.5 and 1.5  re sp ectively),  3 ro tations (90   de gree s aroun d   x-,  y-, z-  axis respectively). So  we g e t mo re  5 ne w mo del  files of ea ch   model  and  pu t them togeth e with the  o r igi nal m odel s. I n  this  way, a  sm all te st d a taba se  with   90 m odel of 15  catego rie s  i s   gene rated.  We the n   sel e ct rand omly model s form  the test d a taba se to t e st. Cla s sification   accuraci es are propo sed  in  Table  2.  Fro m  the figu re,  we  can  se e t hat the  syste m  is ve ry rob u st  and b o th me thods  are i n sen s itive to the mod e l’s  rotation an d tran sform a tion , and produ ce  comp arable result s.      Table 1. The  Accu ra cy of Different Parameters  L=  n=  2×8  4×8 6×8  8×8 10×8  0.7172   0.7256  0.7561   0.7608  0.7813   0.7374   0.7481  0.7590   0.7747  0.7810   0.7690   0.7863  0.8002   0.8012  0.8142   0.7898   0.7978  0.8149   0.8363  0.8891   0.8182  0.8381   0.89397  0.9412   0.9815   0.8444   0.8491  0.8528   0.9434  0.9300   0.8576   0.8580  0.8723   0.9014  0.9079   0.8662   0.8508  0.8966   0.8827  0.8967   10  0.8800   0.8817  0.7699   0.8523  0.8815         Figure 4. The  Average Accura cy of the Three M e thod       0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 human f i g hter _jet po tted_pl ant s po r t human 2DHMM ADHMM SD Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Autom a tic 3D Model Annot ation by a T w o-Dim e n s ion a l Hidd en Ma rko v  Mo del (Guo Ji ng)  3279 Table 2. The  Re sult of the Third Expe ri ment    2DHMM  ADHMM   SD  bed 91.4  80.6  83.0  Tree  88.7  80.8  76.5  bicy cle  90.0  85.5  79.6  tank 88.3  79.3  80.0  track 92.5  66.0  87.1      6. Conclusio n   In this pa per,  a  ne w meth od fo r a u tom a tic 3 D  obje c t Annotation   has be en  propo sed   based on th e two-dimen s ion a l Hid d e n  Markov M odel ap pro a ch. Specifically, each mod e l is  sep a rate d int o  seve ral bin s  by spi derweb mod e l.  Fo r ea ch bin, th e feature of  D2 is  com put ed.  The sequ en ces of ve ctors (one fo r e a ch bin)  are su bse que ntly modele d  u s ing  HMM s , payi n g   particula r attention to the   initialization  a nd the  m odel  sele ction i ssues.  Cla ssifi cation is ca rri ed  out by usin a nea re st nei ghbo r rul e , where  dist a n ce is compute d  usin g the  HMM likeliho od  function. A thoro ugh  exp e rime ntal evaluation h a sho w n that t he propo se d  approa ch i s  very  promi s in g for cla s sifying 3 D  obj ect s  fro m  larg e d a ta base. Fu rthermore, th e p r opo sed  meth od   remai n s q u ite  accurate eve n  in ca se of model of tran sform a tion, scale a nd rotat i on.  An intere stin g extensi on o f  the method  coul go to ward the i n vestigation of th e use of  the 3 D  mo d e l segme n tation. In p a rticular,  we  are  investig ating  the  sep a rat e  3 D  mo del  into  meanin g ful p a rts by HM M s     Ackn o w l e dg ements   The work de scribe d in thi s  pap er  wa s supp orte d b y  the Nation al Scien c e F ound ation of  Chin a (G rant  No. 6073 60 08) an d No rt hwe s t Unive r sity National  Scien c e Fo undatio n (G rant  No.ND0 936, No.JD1 031 6).      Referen ces   [1]  3D model sear ch engine,  http://shape.cs.princeton.edu.   [2]  P Min, JA Hald erman, M Kazh dan, T A  F unkhouser.  Early  ex peri ences w i th  a 3D  mod e l se arch en gi ne W eb 3D S y m p osium. F r ance.  2003; 7 –18.   [3]  3D mod e l retri e val s y stem,  http://3d.csie.ntu. edu.t w dy n a mi c/.  [4]  DY Che n , XP  T i an, YT  Shen, M Ouh y oun g.  On visual s i mil a rity base d  3 D  mo del r e trieva l . Comput e r   Graphics F o ru m (EG 2003 Procee din g s). Sp ain. 20 03; 22( 3 ) : 223-23 2.  [5]  3D model similarit y  se arch engine, http://mer kur 01.inf.uni-konst anz.de/CCCC/.  [6] DV  Vrani c.  A n  i m pr ove m en t of rotatio n  i n vari ant 3 D  s hap e d e scri p tor b a sed  o n   functions  o n   co n c en tri c  sp he re s .   Image Pr ocessi ng. In ICIP 2003, 20 03; 2: III - 757-60.   [7]  Csaka n y  P, W a llace AM. Repr esentat i o n  and classific a tion of 3D ob j e cts.  IEEE Tr ansactions  on  Systems, Man,  and Cyb e n e tic s , Part B : C y b e m etics. 2003; 3 3 (4): 638- 64 7.  [8]  Hub e r D, K a p u ria  A, Do nam ukkal a  R R Pa rts-based  3D   obj ect class i fic a tion .   Comp ut er Visi on  an d   Pattern Reco g n itio n, 200 4. CVPR 200 4.  W a shin gton, DC, USA. 2004; 2:  82-8 9 [9]  Mihael Ankerst, Gabi  Kaste n m üller, Ha ns- P eter  Kri ege l, T homas  Seid l.  3D  Sha p e  Hi stogra m s fo r   Similar i ty Sear ch and Cl assifi cation i n  Spati a l Data bases 6th Internatio n a l S y m posi u m, SSD’99. Hon g   Kong, Ch in a. 1999; 20 7-2 26.   [10] Vand eb orre  JP A practical a p p roac h for 3D  mo de l in dexi n g  by combi n in g l o cal a nd  glo bal  invari ants 3D Data Proc e ssing Vis ual iza t ion an d T r ansmission, 2 002  Processi ng. Ital y . 2 002; 6 44-6 47.   [11]  Liu  yi, W a n g   xulei, Z h a ho ng  bin. 3 D  Partia l   Shap e Retri e v a l Bas ed o n  L o cal B ag of W o rds Mo dels.   Acta Scientiar u m Natur a li u m   Univers i tatis P e kin ensis . 2 0 0 9 ; 45(6): 96 7-9 68.   [12] La w r ence  R abi ner.  A T u to rial o n  H i dd en  Markov Mo de ls an d Sel e cte d  App licati ons  in Sp eec h   Reco gniti on.  P r ocee din g s of the IEEE. 1989;  77(2): 257 –2 8 6 [13]  F e i y an g Yu, Horace HS.  Aut o matic Se ma n t ic Annotatio of Im ag es usi ng Spati a l Hi d den Mark ov   Mode l . IEEE In ternatio nal C o n f erence o n  Mul t imedi a and E x po. Can a d a .   2006; 30 5-3 08.   [14]  SS Kuo, OE Agazzi.  Mach in e  vision for key w ord spotting  usin g pse udo  2D hi dd en Mar k ov mode ls .   Acoustics, Spe e ch, and Si gn a l  Processi ng. Minn eap olis. 1 993; 5: 81 –84.   [15]  CC Yen, SS Kuo.  Degr ad ed docu m ents  rec ogn ition usin pseu do 2D  hid den Mark ov mode ls in Gray- scale i m ages SPIE Proceedi ngs. 199 4; 227 7: 180– 19 1.  [16]  Jia Li, Amir  Naj m i, Rob e rt M Gra y Imag e Cl assificati on by  a T w o-Dimensi ona l Hi dde n M a rkov Mo de l Acoustics, Spe e ch, and Si gn a l  Processi ng. 1 999; 6: 33 13-3 316.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3272 – 32 80   3280 [17]  A Gersho, RM Gra y . Vector  Quantiz atio n and  Signa l Compr e ssio n . Boston , MA: Klu w er.1 992: 62 3.   [18]  CH Fosg ate,  H Krim, W W  Irving, W C  K a rl,  AS  W illsk y Mu ltiscal e  segme n tatio n  and an omal enh anc ement  of SAR imager y.  Ima ge Proc e ssing . 19 97; 6( 1): 7-20.   [19]  J Li, RM Gray Context bas ed  mu ltiscal e  clas sificatio n  of images . ICIP 98. Chica go. 1 998;  3: 566-57 0.   [20]  R. Osada et al. Shape D i strib u tions.   ACM T r ansacti ons o n  Graphics . 20 02 ; 21(4): 811-8 1 3 [21]  Yuji an L i  et al.   Hidd en Mark o v  mo dels w i th  states dep en di ng o n  obs erva tions . Pattern  Recognition  Letters. 200 5; 26 (7): 977 –9 8 4 [22]  Liu  xia o mi ng,  Yin  jia w e i,  F eng  zhi l i n , Do ng J i n x i a n g . 3 D  mo del  cl ass i ficatio n  b a se d  on  a d a p tiv e   w e ig hted  as ym metric AdaB oo st hidd en M a rk ov mod e ls.  Jo urna l of Z h e jia ng U n ivers i ty  (Engi neer in g   Scienc e). 200 6 ;  40(8): 130 0-1 305.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.