ModDrop: adaptive multi-modal gesture recognition

We present a method for gesture detection and localisation based on multi-scale and multi-modal deep learning. Each visual modality captures spatial information at a particular spatial scale (such as motion of the upper body or a hand), and the whole system operates at three temporal scales. Key to our technique is a training strategy which exploits: i) careful initialization of individual modalities; and ii) gradual fusion involving random dropping of separate channels (dubbed ModDrop) for learning cross-modality correlations while preserving uniqueness of each modality-specific representation. We present experiments on the ChaLearn 2014 Looking at People Challenge gesture recognition track, in which we placed first out of 17 teams. Fusing multiple modalities at several spatial and temporal scales leads to a significant increase in recognition rates, allowing the model to compensate for errors of the individual classifiers as well as noise in the separate channels. Futhermore, the proposed ModDrop training technique ensures robustness of the classifier to missing signals in one or several channels to produce meaningful predictions from any number of available modalities. In addition, we demonstrate the applicability of the proposed fusion scheme to modalities of arbitrary nature by experiments on the same dataset augmented with audio.Comment: 14 pages, 7 figure

Recent Developments in Video Surveillance

With surveillance cameras installed everywhere and continuously streaming thousands of hours of video, how can that huge amount of data be analyzed or even be useful? Is it possible to search those countless hours of videos for subjects or events of interest? Shouldn’t the presence of a car stopped at a railroad crossing trigger an alarm system to prevent a potential accident? In the chapters selected for this book, experts in video surveillance provide answers to these questions and other interesting problems, skillfully blending research experience with practical real life applications. Academic researchers will find a reliable compilation of relevant literature in addition to pointers to current advances in the field. Industry practitioners will find useful hints about state-of-the-art applications. The book also provides directions for open problems where further advances can be pursued

Adaptive classifier ensembles for face recognition in video-surveillance

Lors de l’implémentation de systèmes de sécurité tels que la vidéo-surveillance intelligente, l’utilisation d’images de visages présente de nombreux avantages par rapport à d’autres traits biométriques. En particulier, cela permet de détecter d’éventuels individus d’intérêt de manière discrète et non intrusive, ce qui peut être particulièrement avantageux dans des situations comme la détection d’individus sur liste noire, la recherche dans des données archivées ou la ré-identification de visages. Malgré cela, la reconnaissance de visages reste confrontée à de nombreuses difficultés propres à la vidéo surveillance. Entre autres, le manque de contrôle sur l’environnement observé implique de nombreuses variations dans les conditions d’éclairage, la résolution de l’image, le flou de mouvement, l’orientation et l’expression des visages. Pour reconnaître des individus, des modèles de visages sont habituellement générés à l’aide d’un nombre limité d’images ou de vidéos de référence collectées lors de sessions d’inscription. Cependant, ces acquisitions ne se déroulant pas nécessairement dans les mêmes conditions d’observation, les données de référence représentent pas toujours la complexité du problème réel. D’autre part, bien qu’il soit possible d’adapter les modèles de visage lorsque de nouvelles données de référence deviennent disponibles, un apprentissage incrémental basé sur des données significativement différentes expose le système à un risque de corruption de connaissances. Enfin, seule une partie de ces connaissances est effectivement pertinente pour la classification d’une image donnée. Dans cette thèse, un nouveau système est proposé pour la détection automatique d’individus d’intérêt en vidéo-surveillance. Plus particulièrement, celle-ci se concentre sur un scénario centré sur l’utilisateur, où un système de reconnaissance de visages est intégré à un outil d’aide à la décision pour alerter un opérateur lorsqu’un individu d’intérêt est détecté sur des flux vidéo. Un tel système se doit d’être capable d’ajouter ou supprimer des individus d’intérêt durant son fonctionnement, ainsi que de mettre à jour leurs modèles de visage dans le temps avec des nouvelles données de référence. Pour cela, le système proposé se base sur de la détection de changement de concepts pour guider une stratégie d’apprentissage impliquant des ensembles de classificateurs. Chaque individu inscrit dans le système est représenté par un ensemble de classificateurs à deux classes, chacun étant spécialisé dans des conditions d’observation différentes, détectées dans les données de référence. De plus, une nouvelle règle pour la fusion dynamique d’ensembles de classificateurs est proposée, utilisant des modèles de concepts pour estimer la pertinence des classificateurs vis-à-vis de chaque image à classifier. Enfin, les visages sont suivis d’une image à l’autre dans le but de les regrouper en trajectoires, et accumuler les décisions dans le temps. Au Chapitre 2, la détection de changement de concept est dans un premier temps utilisée pour limiter l’augmentation de complexité d’un système d’appariement de modèles adoptant une stratégie de mise à jour automatique de ses galeries. Une nouvelle approche sensible au contexte est proposée, dans laquelle seules les images de haute confiance capturées dans des conditions d’observation différentes sont utilisées pour mettre à jour les modèles de visage. Des expérimentations ont été conduites avec trois bases de données de visages publiques. Un système d’appariement de modèles standard a été utilisé, combiné avec un module de détection de changement dans les conditions d’illumination. Les résultats montrent que l’approche proposée permet de diminuer la complexité de ces systèmes, tout en maintenant la performance dans le temps. Au Chapitre 3, un nouveau système adaptatif basé des ensembles de classificateurs est proposé pour la reconnaissance de visages en vidéo-surveillance. Il est composé d’un ensemble de classificateurs incrémentaux pour chaque individu inscrit, et se base sur la détection de changement de concepts pour affiner les modèles de visage lorsque de nouvelles données sont disponibles. Une stratégie hybride est proposée, dans laquelle des classificateurs ne sont ajoutés aux ensembles que lorsqu’un changement abrupt est détecté dans les données de référence. Lors d’un changement graduel, les classificateurs associés sont mis à jour, ce qui permet d’affiner les connaissances propres au concept correspondant. Une implémentation particulière de ce système est proposée, utilisant des ensembles de classificateurs de type Fuzzy-ARTMAP probabilistes, générés et mis à jour à l’aide d’une stratégie basée sur une optimisation par essaims de particules dynamiques, et utilisant la distance de Hellinger entre histogrammes pour détecter des changements. Les simulations réalisées sur la base de donnée de vidéo-surveillance Faces in Action (FIA) montrent que le système proposé permet de maintenir un haut niveau de performance dans le temps, tout en limitant la corruption de connaissance. Il montre des performances de classification supérieure à un système similaire passif (sans détection de changement), ainsi qu’a des systèmes de référence de type kNN probabiliste, et TCM-kNN. Au Chapitre 4, une évolution du système présenté au Chapitre 3 est proposée, intégrant des mécanismes permettant d’adapter dynamiquement le comportement du système aux conditions d’observation changeantes en mode opérationnel. Une nouvelle règle de fusion basée sur de la pondération dynamique est proposée, assignant à chaque classificateur un poids proportionnel à son niveau de compétence estimé vis-à-vis de chaque image à classifier. De plus, ces compétences sont estimées à l’aide des modèles de concepts utilisés en apprentissage pour la détection de changement, ce qui permet un allègement des ressources nécessaires en mode opérationnel. Une évolution de l’implémentation proposée au Chapitre 3 est présentée, dans laquelle les concepts sont modélisés à l’aide de l’algorithme de partitionnement Fuzzy C-Means, et la fusion de classificateurs réalisée avec une moyenne pondérée. Les simulation expérimentales avec les bases de données de vidéo-surveillance FIA et Chokepoint montrent que la méthode de fusion proposée permet d’obtenir des résultats supérieurs à la méthode de sélection dynamique DSOLA, tout en utilisant considérablement moins de ressources de calcul. De plus, la méthode proposée montre des performances de classification supérieures aux systèmes de référence de type kNN probabiliste, TCM-kNN et Adaptive Sparse Coding

End-to-end anomaly detection in stream data

Nowadays, huge volumes of data are generated with increasing velocity through various systems, applications, and activities. This increases the demand for stream and time series analysis to react to changing conditions in real-time for enhanced efficiency and quality of service delivery as well as upgraded safety and security in private and public sectors. Despite its very rich history, time series anomaly detection is still one of the vital topics in machine learning research and is receiving increasing attention. Identifying hidden patterns and selecting an appropriate model that fits the observed data well and also carries over to unobserved data is not a trivial task. Due to the increasing diversity of data sources and associated stochastic processes, this pivotal data analysis topic is loaded with various challenges like complex latent patterns, concept drift, and overfitting that may mislead the model and cause a high false alarm rate. Handling these challenges leads the advanced anomaly detection methods to develop sophisticated decision logic, which turns them into mysterious and inexplicable black-boxes. Contrary to this trend, end-users expect transparency and verifiability to trust a model and the outcomes it produces. Also, pointing the users to the most anomalous/malicious areas of time series and causal features could save them time, energy, and money. For the mentioned reasons, this thesis is addressing the crucial challenges in an end-to-end pipeline of stream-based anomaly detection through the three essential phases of behavior prediction, inference, and interpretation. The first step is focused on devising a time series model that leads to high average accuracy as well as small error deviation. On this basis, we propose higher-quality anomaly detection and scoring techniques that utilize the related contexts to reclassify the observations and post-pruning the unjustified events. Last but not least, we make the predictive process transparent and verifiable by providing meaningful reasoning behind its generated results based on the understandable concepts by a human. The provided insight can pinpoint the anomalous regions of time series and explain why the current status of a system has been flagged as anomalous. Stream-based anomaly detection research is a principal area of innovation to support our economy, security, and even the safety and health of societies worldwide. We believe our proposed analysis techniques can contribute to building a situational awareness platform and open new perspectives in a variety of domains like cybersecurity, and health

People detection and tracking in crowded scenes

People are often a central element of visual scenes, particularly in real-world street scenes. Thus it has been a long-standing goal in Computer Vision to develop methods aiming at analyzing humans in visual data. Due to the complexity of real-world scenes, visual understanding of people remains challenging for machine perception. In this thesis we focus on advancing the techniques for people detection and tracking in crowded street scenes. We also propose new models for human pose estimation and motion segmentation in realistic images and videos. First, we propose detection models that are jointly trained to detect single person as well as pairs of people under varying degrees of occlusion. The learning algorithm of our joint detector facilitates a tight integration of tracking and detection, because it is designed to address common failure cases during tracking due to long-term inter-object occlusions. Second, we propose novel multi person tracking models that formulate tracking as a graph partitioning problem. Our models jointly cluster detection hypotheses in space and time, eliminating the need for a heuristic non-maximum suppression. Furthermore, for crowded scenes, our tracking model encodes long-range person re-identification information into the detection clustering process in a unified and rigorous manner. Third, we explore the visual tracking task in different granularity. We present a tracking model that simultaneously clusters object bounding boxes and pixel level trajectories over time. This approach provides a rich understanding of the motion of objects in the scene. Last, we extend our tracking model for the multi person pose estimation task. We introduce a joint subset partitioning and labelling model where we simultaneously estimate the poses of all the people in the scene. In summary, this thesis addresses a number of diverse tasks that aim to enable vision systems to analyze people in realistic images and videos. In particular, the thesis proposes several novel ideas and rigorous mathematical formulations, pushes the boundary of state-of-the-arts and results in superior performance.Personen sind oft ein zentraler Bestandteil visueller Szenen, besonders in natürlichen Straßenszenen. Daher ist es seit langem ein Ziel der Computer Vision, Methoden zu entwickeln, um Personen in einer Szene zu analysieren. Aufgrund der Komplexität natürlicher Szenen bleibt das visuelle Verständnis von Personen eine Herausforderung für die maschinelle Wahrnehmung. Im Zentrum dieser Arbeit steht die Weiterentwicklung von Verfahren zur Detektion und zum Tracking von Personen in Straßenszenen mit Menschenmengen. Wir erforschen darüber hinaus neue Methoden zur menschlichen Posenschätzung und Bewegungssegmentierung in realistischen Bildern und Videos. Zunächst schlagen wir Detektionsmodelle vor, die gemeinsam trainiert werden, um sowohl einzelne Personen als auch Personenpaare bei verschiedener Verdeckung zu detektieren. Der Lernalgorithmus unseres gemeinsamen Detektors erleichtert eine enge Integration von Tracking und Detektion, da er darauf konzipiert ist, häufige Fehlerfälle aufgrund langfristiger Verdeckungen zwischen Objekten während des Tracking anzugehen. Zweitens schlagen wir neue Modelle für das Tracking mehrerer Personen vor, die das Tracking als Problem der Graphenpartitionierung formulieren. Unsere Mod- elle clustern Detektionshypothesen gemeinsam in Raum und Zeit und eliminieren dadurch die Notwendigkeit einer heuristischen Unterdrückung nicht maximaler De- tektionen. Bei Szenen mit Menschenmengen kodiert unser Trackingmodell darüber hinaus einheitlich und genau Informationen zur langfristigen Re-Identifizierung in den Clusteringprozess der Detektionen. Drittens untersuchen wir die visuelle Trackingaufgabe bei verschiedener Gran- ularität. Wir stellen ein Trackingmodell vor, das im Zeitablauf gleichzeitig Begren- zungsrahmen von Objekten und Trajektorien auf Pixelebene clustert. Diese Herange- hensweise ermöglicht ein umfassendes Verständnis der Bewegung der Objekte in der Szene. Schließlich erweitern wir unser Trackingmodell für die Posenschätzung mehrerer Personen. Wir führen ein Modell zur gemeinsamen Graphzerlegung und Knoten- klassifikation ein, mit dem wir gleichzeitig die Posen aller Personen in der Szene schätzen. Zusammengefasst widmet sich diese Arbeit einer Reihe verschiedener Aufgaben mit dem gemeinsamen Ziel, Bildverarbeitungssystemen die Analyse von Personen in realistischen Bildern und Videos zu ermöglichen. Insbesondere schlägt die Arbeit mehrere neue Ansätze und genaue mathematische Formulierungen vor, und sie zeigt Methoden, welche die Grenze des neuesten Stands der Technik überschreiten und eine höhere Leistung von Bildverarbeitungssystemen ermöglichen

Contributions to the cornerstones of interaction in visualization: strengthening the interaction of visualization

Visualization has become an accepted means for data exploration and analysis. Although interaction is an important component of visualization approaches, current visualization research pays less attention to interaction than to aspects of the graphical representation. Therefore, the goal of this work is to strengthen the interaction side of visualization. To this end, we establish a unified view on interaction in visualization. This unified view covers four cornerstones: the data, the tasks, the technology, and the human.Visualisierung hat sich zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Exploration und Analyse von Daten entwickelt. Obwohl Interaktion ein wichtiger Bestandteil solcher Werkzeuge ist, wird der Interaktion in der aktuellen Visualisierungsforschung weniger Aufmerksamkeit gewidmet als Aspekten der graphischen Repräsentation. Daher ist es das Ziel dieser Arbeit, die Interaktion im Bereich der Visualisierung zu stärken. Hierzu wird eine einheitliche Sicht auf Interaktion in der Visualisierung entwickelt

Promoter architecture and gene expression dynamics in embryonic development

Genes indispensable for proper embryonic development show intricate patterns of expression throughout the time, space and magnitude of their activity. This diversity is enabled by elaborate regulatory mechanisms that guide their expression. They also possess a distinct type of core promoters that enable the integration of all regulatory inputs. However, it is still not clear how is coordination of regulation achieved. The first step towards understanding this process is to characterise dynamics of expression, and core promoter features that process the regulation. In this thesis, I explored the diversity of spatio-temporal gene expression during zebrafish development. I defined a novel measure of anatomical specificity that defines how precisely an anatomical structure is defined in the Anatomical Ontology system. Using anatomical specificity measure, I quantified gene expression dynamics from mRNA in situ hybridisation data. Gene expression divergence from in situs was used to predict expression levels from RNA-seq expression data. This analysis allowed me to propose a measure of gene expression complexity which showed that genes with the highest complexity score are developmental genes, whereas genes with low complexity score are involved in housekeeping functions. Next, I developed a method that reports significantly enriched core promoter elements in a group of genes. Using this method, I compared differences in core promoter composition in active genes expressed in different developmental periods. In addition, this method found groups of genes with a specific core promoter structure that are specified for a biological process. Finally, I used scRNA-seq data from zebrafish development to identify patterns of gene co-expression across different cell clusters. Co-expression suggests that a gene pair possesses a common regulatory programme. I show that genes with the most divergent co-expression patterns across development are developmental genes and that housekeeping genes have least diverse co-expression patterns. I went further to create co-expression networks which allowed me to analyse co-expression patterns into more details.Open Acces