Multisource and Multitemporal Data Fusion in Remote Sensing

The sharp and recent increase in the availability of data captured by different sensors combined with their considerably heterogeneous natures poses a serious challenge for the effective and efficient processing of remotely sensed data. Such an increase in remote sensing and ancillary datasets, however, opens up the possibility of utilizing multimodal datasets in a joint manner to further improve the performance of the processing approaches with respect to the application at hand. Multisource data fusion has, therefore, received enormous attention from researchers worldwide for a wide variety of applications. Moreover, thanks to the revisit capability of several spaceborne sensors, the integration of the temporal information with the spatial and/or spectral/backscattering information of the remotely sensed data is possible and helps to move from a representation of 2D/3D data to 4D data structures, where the time variable adds new information as well as challenges for the information extraction algorithms. There are a huge number of research works dedicated to multisource and multitemporal data fusion, but the methods for the fusion of different modalities have expanded in different paths according to each research community. This paper brings together the advances of multisource and multitemporal data fusion approaches with respect to different research communities and provides a thorough and discipline-specific starting point for researchers at different levels (i.e., students, researchers, and senior researchers) willing to conduct novel investigations on this challenging topic by supplying sufficient detail and references

Fine-Grained Image Analysis with Deep Learning: A Survey

Fine-grained image analysis (FGIA) is a longstanding and fundamental problem in computer vision and pattern recognition, and underpins a diverse set of real-world applications. The task of FGIA targets analyzing visual objects from subordinate categories, e.g., species of birds or models of cars. The small inter-class and large intra-class variation inherent to fine-grained image analysis makes it a challenging problem. Capitalizing on advances in deep learning, in recent years we have witnessed remarkable progress in deep learning powered FGIA. In this paper we present a systematic survey of these advances, where we attempt to re-define and broaden the field of FGIA by consolidating two fundamental fine-grained research areas -- fine-grained image recognition and fine-grained image retrieval. In addition, we also review other key issues of FGIA, such as publicly available benchmark datasets and related domain-specific applications. We conclude by highlighting several research directions and open problems which need further exploration from the community.Comment: Accepted by IEEE TPAM

Lidar-based scene understanding for autonomous driving using deep learning

With over 1.35 million fatalities related to traffic accidents worldwide, autonomous driving was foreseen at the beginning of this century as a feasible solution to improve security in our roads. Nevertheless, it is meant to disrupt our transportation paradigm, allowing to reduce congestion, pollution, and costs, while increasing the accessibility, efficiency, and reliability of the transportation for both people and goods. Although some advances have gradually been transferred into commercial vehicles in the way of Advanced Driving Assistance Systems (ADAS) such as adaptive cruise control, blind spot detection or automatic parking, however, the technology is far from mature. A full understanding of the scene is actually needed so that allowing the vehicles to be aware of the surroundings, knowing the existing elements of the scene, as well as their motion, intentions and interactions. In this PhD dissertation, we explore new approaches for understanding driving scenes from 3D LiDAR point clouds by using Deep Learning methods. To this end, in Part I we analyze the scene from a static perspective using independent frames to detect the neighboring vehicles. Next, in Part II we develop new ways for understanding the dynamics of the scene. Finally, in Part III we apply all the developed methods to accomplish higher level challenges such as segmenting moving obstacles while obtaining their rigid motion vector over the ground. More specifically, in Chapter 2 we develop a 3D vehicle detection pipeline based on a multi-branch deep-learning architecture and propose a Front (FR-V) and a Bird’s Eye view (BE-V) as 2D representations of the 3D point cloud to serve as input for training our models. Later on, in Chapter 3 we apply and further test this method on two real uses-cases, for pre-filtering moving obstacles while creating maps to better localize ourselves on subsequent days, as well as for vehicle tracking. From the dynamic perspective, in Chapter 4 we learn from the 3D point cloud a novel dynamic feature that resembles optical flow from RGB images. For that, we develop a new approach to leverage RGB optical flow as pseudo ground truth for training purposes but allowing the use of only 3D LiDAR data at inference time. Additionally, in Chapter 5 we explore the benefits of combining classification and regression learning problems to face the optical flow estimation task in a joint coarse-and-fine manner. Lastly, in Chapter 6 we gather the previous methods and demonstrate that with these independent tasks we can guide the learning of higher challenging problems such as segmentation and motion estimation of moving vehicles from our own moving perspective.Con más de 1,35 millones de muertes por accidentes de tráfico en el mundo, a principios de siglo se predijo que la conducción autónoma sería una solución viable para mejorar la seguridad en nuestras carreteras. Además la conducción autónoma está destinada a cambiar nuestros paradigmas de transporte, permitiendo reducir la congestión del tráfico, la contaminación y el coste, a la vez que aumentando la accesibilidad, la eficiencia y confiabilidad del transporte tanto de personas como de mercancías. Aunque algunos avances, como el control de crucero adaptativo, la detección de puntos ciegos o el estacionamiento automático, se han transferido gradualmente a vehículos comerciales en la forma de los Sistemas Avanzados de Asistencia a la Conducción (ADAS), la tecnología aún no ha alcanzado el suficiente grado de madurez. Se necesita una comprensión completa de la escena para que los vehículos puedan entender el entorno, detectando los elementos presentes, así como su movimiento, intenciones e interacciones. En la presente tesis doctoral, exploramos nuevos enfoques para comprender escenarios de conducción utilizando nubes de puntos en 3D capturadas con sensores LiDAR, para lo cual empleamos métodos de aprendizaje profundo. Con este fin, en la Parte I analizamos la escena desde una perspectiva estática para detectar vehículos. A continuación, en la Parte II, desarrollamos nuevas formas de entender las dinámicas del entorno. Finalmente, en la Parte III aplicamos los métodos previamente desarrollados para lograr desafíos de nivel superior, como segmentar obstáculos dinámicos a la vez que estimamos su vector de movimiento sobre el suelo. Específicamente, en el Capítulo 2 detectamos vehículos en 3D creando una arquitectura de aprendizaje profundo de dos ramas y proponemos una vista frontal (FR-V) y una vista de pájaro (BE-V) como representaciones 2D de la nube de puntos 3D que sirven como entrada para entrenar nuestros modelos. Más adelante, en el Capítulo 3 aplicamos y probamos aún más este método en dos casos de uso reales, tanto para filtrar obstáculos en movimiento previamente a la creación de mapas sobre los que poder localizarnos mejor en los días posteriores, como para el seguimiento de vehículos. Desde la perspectiva dinámica, en el Capítulo 4 aprendemos de la nube de puntos en 3D una característica dinámica novedosa que se asemeja al flujo óptico sobre imágenes RGB. Para ello, desarrollamos un nuevo enfoque que aprovecha el flujo óptico RGB como pseudo muestras reales para entrenamiento, usando solo information 3D durante la inferencia. Además, en el Capítulo 5 exploramos los beneficios de combinar los aprendizajes de problemas de clasificación y regresión para la tarea de estimación de flujo óptico de manera conjunta. Por último, en el Capítulo 6 reunimos los métodos anteriores y demostramos que con estas tareas independientes podemos guiar el aprendizaje de problemas de más alto nivel, como la segmentación y estimación del movimiento de vehículos desde nuestra propia perspectivaAmb més d’1,35 milions de morts per accidents de trànsit al món, a principis de segle es va predir que la conducció autònoma es convertiria en una solució viable per millorar la seguretat a les nostres carreteres. D’altra banda, la conducció autònoma està destinada a canviar els paradigmes del transport, fent possible així reduir la densitat del trànsit, la contaminació i el cost, alhora que augmentant l’accessibilitat, l’eficiència i la confiança del transport tant de persones com de mercaderies. Encara que alguns avenços, com el control de creuer adaptatiu, la detecció de punts cecs o l’estacionament automàtic, s’han transferit gradualment a vehicles comercials en forma de Sistemes Avançats d’Assistència a la Conducció (ADAS), la tecnologia encara no ha arribat a aconseguir el grau suficient de maduresa. És necessària, doncs, una total comprensió de l’escena de manera que els vehicles puguin entendre l’entorn, detectant els elements presents, així com el seu moviment, intencions i interaccions. A la present tesi doctoral, explorem nous enfocaments per tal de comprendre les diferents escenes de conducció utilitzant núvols de punts en 3D capturats amb sensors LiDAR, mitjançant l’ús de mètodes d’aprenentatge profund. Amb aquest objectiu, a la Part I analitzem l’escena des d’una perspectiva estàtica per a detectar vehicles. A continuació, a la Part II, desenvolupem noves formes d’entendre les dinàmiques de l’entorn. Finalment, a la Part III apliquem els mètodes prèviament desenvolupats per a aconseguir desafiaments d’un nivell superior, com, per exemple, segmentar obstacles dinàmics al mateix temps que estimem el seu vector de moviment respecte al terra. Concretament, al Capítol 2 detectem vehicles en 3D creant una arquitectura d’aprenentatge profund amb dues branques, i proposem una vista frontal (FR-V) i una vista d’ocell (BE-V) com a representacions 2D del núvol de punts 3D que serveixen com a punt de partida per entrenar els nostres models. Més endavant, al Capítol 3 apliquem i provem de nou aquest mètode en dos casos d’ús reals, tant per filtrar obstacles en moviment prèviament a la creació de mapes en els quals poder localitzar-nos millor en dies posteriors, com per dur a terme el seguiment de vehicles. Des de la perspectiva dinàmica, al Capítol 4 aprenem una nova característica dinàmica del núvol de punts en 3D que s’assembla al flux òptic sobre imatges RGB. Per a fer-ho, desenvolupem un nou enfocament que aprofita el flux òptic RGB com pseudo mostres reals per a entrenament, utilitzant només informació 3D durant la inferència. Després, al Capítol 5 explorem els beneficis que s’obtenen de combinar els aprenentatges de problemes de classificació i regressió per la tasca d’estimació de flux òptic de manera conjunta. Finalment, al Capítol 6 posem en comú els mètodes anteriors i demostrem que mitjançant aquests processos independents podem abordar l’aprenentatge de problemes més complexos, com la segmentació i estimació del moviment de vehicles des de la nostra pròpia perspectiva

Multisource and multitemporal data fusion in remote sensing:A comprehensive review of the state of the art

The recent, sharp increase in the availability of data captured by different sensors, combined with their considerable heterogeneity, poses a serious challenge for the effective and efficient processing of remotely sensed data. Such an increase in remote sensing and ancillary data sets, however, opens up the possibility of utilizing multimodal data sets in a joint manner to further improve the performance of the processing approaches with respect to applications at hand. Multisource data fusion has, therefore, received enormous attention from researchers worldwide for a wide variety of applications. Moreover, thanks to the revisit capability of several

Contextual Social Networking

The thesis centers around the multi-faceted research question of how contexts may be detected and derived that can be used for new context aware Social Networking services and for improving the usefulness of existing Social Networking services, giving rise to the notion of Contextual Social Networking. In a first foundational part, we characterize the closely related fields of Contextual-, Mobile-, and Decentralized Social Networking using different methods and focusing on different detailed aspects. A second part focuses on the question of how short-term and long-term social contexts as especially interesting forms of context for Social Networking may be derived. We focus on NLP based methods for the characterization of social relations as a typical form of long-term social contexts and on Mobile Social Signal Processing methods for deriving short-term social contexts on the basis of geometry of interaction and audio. We furthermore investigate, how personal social agents may combine such social context elements on various levels of abstraction. The third part discusses new and improved context aware Social Networking service concepts. We investigate special forms of awareness services, new forms of social information retrieval, social recommender systems, context aware privacy concepts and services and platforms supporting Open Innovation and creative processes. This version of the thesis does not contain the included publications because of copyrights of the journals etc. Contact in terms of the version with all included publications: Georg Groh, [email protected] zentrale Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die vielschichtige Frage, wie Kontexte detektiert und abgeleitet werden können, die dazu dienen können, neuartige kontextbewusste Social Networking Dienste zu schaffen und bestehende Dienste in ihrem Nutzwert zu verbessern. Die (noch nicht abgeschlossene) erfolgreiche Umsetzung dieses Programmes führt auf ein Konzept, das man als Contextual Social Networking bezeichnen kann. In einem grundlegenden ersten Teil werden die eng zusammenhängenden Gebiete Contextual Social Networking, Mobile Social Networking und Decentralized Social Networking mit verschiedenen Methoden und unter Fokussierung auf verschiedene Detail-Aspekte näher beleuchtet und in Zusammenhang gesetzt. Ein zweiter Teil behandelt die Frage, wie soziale Kurzzeit- und Langzeit-Kontexte als für das Social Networking besonders interessante Formen von Kontext gemessen und abgeleitet werden können. Ein Fokus liegt hierbei auf NLP Methoden zur Charakterisierung sozialer Beziehungen als einer typischen Form von sozialem Langzeit-Kontext. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf Methoden aus dem Mobile Social Signal Processing zur Ableitung sinnvoller sozialer Kurzzeit-Kontexte auf der Basis von Interaktionsgeometrien und Audio-Daten. Es wird ferner untersucht, wie persönliche soziale Agenten Kontext-Elemente verschiedener Abstraktionsgrade miteinander kombinieren können. Der dritte Teil behandelt neuartige und verbesserte Konzepte für kontextbewusste Social Networking Dienste. Es werden spezielle Formen von Awareness Diensten, neue Formen von sozialem Information Retrieval, Konzepte für kontextbewusstes Privacy Management und Dienste und Plattformen zur Unterstützung von Open Innovation und Kreativität untersucht und vorgestellt. Diese Version der Habilitationsschrift enthält die inkludierten Publikationen zurVermeidung von Copyright-Verletzungen auf Seiten der Journals u.a. nicht. Kontakt in Bezug auf die Version mit allen inkludierten Publikationen: Georg Groh, [email protected]