Kodizajn arhitekture i algoritama za lokalizacijumobilnih robota i detekciju prepreka baziranih namodelu

This thesis proposes SoPC (System on a Programmable Chip) architectures for efficient embedding of vison-based localization and obstacle detection tasks in a navigational pipeline on autonomous mobile robots. The obtained results are equivalent or better in comparison to state-ofthe- art. For localization, an efficient hardware architecture that supports EKF-SLAM's local map management with seven-dimensional landmarks in real time is developed. For obstacle detection a novel method of object recognition is proposed - detection by identification framework based on single detection window scale. This framework allows adequate algorithmic precision and execution speeds on embedded hardware platforms.Ova teza bavi se dizajnom SoPC (engl. System on a Programmable Chip) arhitektura i algoritama za efikasnu implementaciju zadataka lokalizacije i detekcije prepreka baziranih na viziji u kontekstu autonomne robotske navigacije. Za lokalizaciju, razvijena je efikasna računarska arhitektura za EKF-SLAM algoritam, koja podržava skladištenje i obradu sedmodimenzionalnih orijentira lokalne mape u realnom vremenu. Za detekciju prepreka je predložena nova metoda prepoznavanja objekata u slici putem prozora detekcije fiksne dimenzije, koja omogućava veću brzinu izvršavanja algoritma detekcije na namenskim računarskim platformama

Energy efficient enabling technologies for semantic video processing on mobile devices

Semantic object-based processing will play an increasingly important role in future multimedia systems due to the ubiquity of digital multimedia capture/playback technologies and increasing storage capacity. Although the object based paradigm has many undeniable benefits, numerous technical challenges remain before the applications becomes pervasive, particularly on computational constrained mobile devices. A fundamental issue is the ill-posed problem of semantic object segmentation. Furthermore, on battery powered mobile computing devices, the additional algorithmic complexity of semantic object based processing compared to conventional video processing is highly undesirable both from a real-time operation and battery life perspective. This thesis attempts to tackle these issues by firstly constraining the solution space and focusing on the human face as a primary semantic concept of use to users of mobile devices. A novel face detection algorithm is proposed, which from the outset was designed to be amenable to be offloaded from the host microprocessor to dedicated hardware, thereby providing real-time performance and reducing power consumption. The algorithm uses an Artificial Neural Network (ANN), whose topology and weights are evolved via a genetic algorithm (GA). The computational burden of the ANN evaluation is offloaded to a dedicated hardware accelerator, which is capable of processing any evolved network topology. Efficient arithmetic circuitry, which leverages modified Booth recoding, column compressors and carry save adders, is adopted throughout the design. To tackle the increased computational costs associated with object tracking or object based shape encoding, a novel energy efficient binary motion estimation architecture is proposed. Energy is reduced in the proposed motion estimation architecture by minimising the redundant operations inherent in the binary data. Both architectures are shown to compare favourable with the relevant prior art

Pattern Recognition

Pattern recognition is a very wide research field. It involves factors as diverse as sensors, feature extraction, pattern classification, decision fusion, applications and others. The signals processed are commonly one, two or three dimensional, the processing is done in real- time or takes hours and days, some systems look for one narrow object class, others search huge databases for entries with at least a small amount of similarity. No single person can claim expertise across the whole field, which develops rapidly, updates its paradigms and comprehends several philosophical approaches. This book reflects this diversity by presenting a selection of recent developments within the area of pattern recognition and related fields. It covers theoretical advances in classification and feature extraction as well as application-oriented works. Authors of these 25 works present and advocate recent achievements of their research related to the field of pattern recognition

Unsupervised object candidate discovery for activity recognition

Die automatische Interpretation menschlicher Bewegungsabläufe auf Basis von Videos ist ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen im Bereich des Maschinellen Sehens, wie zum Beispiel Mensch-Roboter Interaktion, Videoüberwachung, und inhaltsbasierte Analyse von Multimedia Daten. Anders als die meisten Ansätze auf diesem Gebiet, die hauptsächlich auf die Klassifikation von einfachen Aktionen, wie Aufstehen, oder Gehen ausgerichtet sind, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Erkennung menschlicher Aktivitäten, d.h. komplexer Aktionssequenzen, die meist Interaktionen des Menschen mit Objekten beinhalten. Gemäß der Aktionsidentifikationstheorie leiten menschliche Aktivitäten ihre Bedeutung nicht nur von den involvierten Bewegungsmustern ab, sondern vor allem vom generellen Kontext, in dem sie stattfinden. Zu diesen kontextuellen Informationen gehören unter anderem die Gesamtheit aller vorher furchgeführter Aktionen, der Ort an dem sich die aktive Person befindet, sowie die Menge der Objekte, die von ihr manipuliert werden. Es ist zum Beispiel nicht möglich auf alleiniger Basis von Bewegungsmustern und ohne jeglicher Miteinbeziehung von Objektwissen zu entschieden ob eine Person, die ihre Hand zum Mund führt gerade etwas isst oder trinkt, raucht, oder bloß die Lippen abwischt. Die meisten Arbeiten auf dem Gebiet der computergestützten Aktons- und Aktivitätserkennung ignorieren allerdings jegliche durch den Kontext bedingte Informationen und beschränken sich auf die Identifikation menschlicher Aktivitäten auf Basis der beobachteten Bewegung. Wird jedoch Objektwissen für die Klassifikation miteinbezogen, so geschieht dies meist unter Zuhilfenahme von überwachten Detektoren, für deren Einrichtung widerum eine erhebliche Menge an Trainingsdaten erforderlich ist. Bedingt durch die hohen zeitlichen Kosten, die die Annotation dieser Trainingsdaten mit sich bringt, wird das Erweitern solcher Systeme, zum Beispiel durch das Hinzufügen neuer Typen von Aktionen, zum eigentlichen Flaschenhals. Ein weiterer Nachteil des Hinzuziehens von überwacht trainierten Objektdetektoren, ist deren Fehleranfälligkeit, selbst wenn die verwendeten Algorithmen dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Basierend auf dieser Beobachtung ist das Ziel dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit computergestützter Aktivitätserkennung zu verbessern mit Hilfe der Hinzunahme von Objektwissen, welches im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen ohne überwachten Trainings gewonnen werden kann. Wir Menschen haben die bemerkenswerte Fähigkeit selektiv die Aufmerksamkeit auf bestimmte Regionen im Blickfeld zu fokussieren und gleichzeitig nicht relevante Regionen auszublenden. Dieser kognitive Prozess erlaubt es uns unsere beschränkten Bewusstseinsressourcen unbewusst auf Inhalte zu richten, die anschließend durch das Gehirn ausgewertet werden. Zum Beispiel zur Interpretation visueller Muster als Objekte eines bestimmten Typs. Die Regionen im Blickfeld, die unsere Aufmerksamkeit unbewusst anziehen werden als Proto-Objekte bezeichnet. Sie sind definiert als unbestimmte Teile des visuellen Informationsspektrums, die zu einem späteren Zeitpunkt durch den Menschen als tatsächliche Objekte wahrgenommen werden können, wenn er seine Aufmerksamkeit auf diese richtet. Einfacher ausgedrückt: Proto-Objekte sind Kandidaten für Objekte, oder deren Bestandteile, die zwar lokalisiert aber noch nicht identifiziert wurden. Angeregt durch die menschliche Fähigkeit solche visuell hervorstechenden (salienten) Regionen zuverlässig vom Hintergrund zu unterscheiden, haben viele Wissenschaftler Methoden entwickelt, die es erlauben Proto-Objekte zu lokalisieren. Allen diesen Algorithmen ist gemein, dass möglichst wenig statistisches Wissens über tatsächliche Objekte vorausgesetzt wird. Visuelle Aufmerksamkeit und Objekterkennung sind sehr eng miteinander vernküpfte Prozesse im visuellen System des Menschen. Aus diesem Grund herrscht auf dem Gebiet des Maschinellen Sehens ein reges Interesse an der Integration beider Konzepte zur Erhöhung der Leistung aktueller Bilderkennungssysteme. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden gehen in eine ähnliche Richtung: wir demonstrieren, dass die Lokalisation von Proto-Objekten es erlaubt Objektkandidaten zu finden, die geeignet sind als zusätzliche Modalität zu dienen für die bewegungsbasierte Erkennung menschlicher Aktivitäten. Die Grundlage dieser Arbeit bildet dabei ein sehr effizienter Algorithmus, der die visuelle Salienz mit Hilfe von quaternionenbasierten DCT Bildsignaturen approximiert. Zur Extraktion einer Menge geeigneter Objektkandidaten (d.h. Proto-Objekten) aus den resultierenden Salienzkarten, haben wir eine Methode entwickelt, die den kognitiven Mechanismus des Inhibition of Return implementiert. Die auf diese Weise gewonnenen Objektkandidaten nutzen wir anschliessend in Kombination mit state-of-the-art Bag-of-Words Methoden zur Merkmalsbeschreibung von Bewegungsmustern um komplexe Aktivitäten des täglichen Lebens zu klassifizieren. Wir evaluieren das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte System auf diversen häufig genutzten Benchmark-Datensätzen und zeigen experimentell, dass das Miteinbeziehen von Proto-Objekten für die Aktivitätserkennung zu einer erheblichen Leistungssteigerung führt im Vergleich zu rein bewegungsbasierten Ansätzen. Zudem demonstrieren wir, dass das vorgestellte System bei der Erkennung menschlicher Aktivitäten deutlich weniger Fehler macht als eine Vielzahl von Methoden, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Überraschenderweise übertrifft unser System leistungsmäßig sogar Verfahren, die auf Objektwissen aufbauen, welches von überwacht trainierten Detektoren, oder manuell erstellten Annotationen stammt. Benchmark-Datensätze sind ein sehr wichtiges Mittel zum quantitativen Vergleich von computergestützten Mustererkennungsverfahren. Nach einer Überprüfung aller öffentlich verfügbaren, relevanten Benchmarks, haben wir jedoch festgestellt, dass keiner davon geeignet war für eine detaillierte Evaluation von Methoden zur Erkennung komplexer, menschlicher Aktivitäten. Aus diesem Grund bestand ein Teil dieser Arbeit aus der Konzeption und Aufnahme eines solchen Datensatzes, des KIT Robo-kitchen Benchmarks. Wie der Name vermuten lässt haben wir uns dabei für ein Küchenszenario entschieden, da es ermöglicht einen großen Umfang an Aktivitäten des täglichen Lebens einzufangen, von denen viele Objektmanipulationen enthalten. Um eine möglichst umfangreiche Menge natürlicher Bewegungen zu erhalten, wurden die Teilnehmer während der Aufnahmen kaum eingeschränkt in der Art und Weise wie die diversen Aktivitäten auszuführen sind. Zu diesem Zweck haben wir den Probanden nur die Art der auszuführenden Aktivität mitgeteilt, sowie wo die benötigten Gegenstände zu finden sind, und ob die jeweilige Tätigkeit am Küchentisch oder auf der Arbeitsplatte auszuführen ist. Dies hebt KIT Robo-kitchen deutlich hervor gegenüber den meisten existierenden Datensätzen, die sehr unrealistisch gespielte Aktivitäten enthalten, welche unter Laborbedingungen aufgenommen wurden. Seit seiner Veröffentlichung wurde der resultierende Benchmark mehrfach verwendet zur Evaluation von Algorithmen, die darauf abzielen lang andauerne, realistische, komplexe, und quasi-periodische menschliche Aktivitäten zu erkennen

NTU RGB+D 120: A Large-Scale Benchmark for 3D Human Activity Understanding

Research on depth-based human activity analysis achieved outstanding performance and demonstrated the effectiveness of 3D representation for action recognition. The existing depth-based and RGB+D-based action recognition benchmarks have a number of limitations, including the lack of large-scale training samples, realistic number of distinct class categories, diversity in camera views, varied environmental conditions, and variety of human subjects. In this work, we introduce a large-scale dataset for RGB+D human action recognition, which is collected from 106 distinct subjects and contains more than 114 thousand video samples and 8 million frames. This dataset contains 120 different action classes including daily, mutual, and health-related activities. We evaluate the performance of a series of existing 3D activity analysis methods on this dataset, and show the advantage of applying deep learning methods for 3D-based human action recognition. Furthermore, we investigate a novel one-shot 3D activity recognition problem on our dataset, and a simple yet effective Action-Part Semantic Relevance-aware (APSR) framework is proposed for this task, which yields promising results for recognition of the novel action classes. We believe the introduction of this large-scale dataset will enable the community to apply, adapt, and develop various data-hungry learning techniques for depth-based and RGB+D-based human activity understanding. [The dataset is available at: http://rose1.ntu.edu.sg/Datasets/actionRecognition.asp]Comment: IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence (TPAMI

A Methodology for Extracting Human Bodies from Still Images

Monitoring and surveillance of humans is one of the most prominent applications of today and it is expected to be part of many future aspects of our life, for safety reasons, assisted living and many others. Many efforts have been made towards automatic and robust solutions, but the general problem is very challenging and remains still open. In this PhD dissertation we examine the problem from many perspectives. First, we study the performance of a hardware architecture designed for large-scale surveillance systems. Then, we focus on the general problem of human activity recognition, present an extensive survey of methodologies that deal with this subject and propose a maturity metric to evaluate them. One of the numerous and most popular algorithms for image processing found in the field is image segmentation and we propose a blind metric to evaluate their results regarding the activity at local regions. Finally, we propose a fully automatic system for segmenting and extracting human bodies from challenging single images, which is the main contribution of the dissertation. Our methodology is a novel bottom-up approach relying mostly on anthropometric constraints and is facilitated by our research in the fields of face, skin and hands detection. Experimental results and comparison with state-of-the-art methodologies demonstrate the success of our approach

Machine Learning

Machine Learning can be defined in various ways related to a scientific domain concerned with the design and development of theoretical and implementation tools that allow building systems with some Human Like intelligent behavior. Machine learning addresses more specifically the ability to improve automatically through experience

SYSTEM-ON-A-CHIP (SOC)-BASED HARDWARE ACCELERATION FOR HUMAN ACTION RECOGNITION WITH CORE COMPONENTS

Today, the implementation of machine vision algorithms on embedded platforms or in portable systems is growing rapidly due to the demand for machine vision in daily human life. Among the applications of machine vision, human action and activity recognition has become an active research area, and market demand for providing integrated smart security systems is growing rapidly. Among the available approaches, embedded vision is in the top tier; however, current embedded platforms may not be able to fully exploit the potential performance of machine vision algorithms, especially in terms of low power consumption. Complex algorithms can impose immense computation and communication demands, especially action recognition algorithms, which require various stages of preprocessing, processing and machine learning blocks that need to operate concurrently. The market demands embedded platforms that operate with a power consumption of only a few watts. Attempts have been mad to improve the performance of traditional embedded approaches by adding more powerful processors; this solution may solve the computation problem but increases the power consumption. System-on-a-chip eld-programmable gate arrays (SoC-FPGAs) have emerged as a major architecture approach for improving power eciency while increasing computational performance. In a SoC-FPGA, an embedded processor and an FPGA serving as an accelerator are fabricated in the same die to simultaneously improve power consumption and performance. Still, current SoC-FPGA-based vision implementations either shy away from supporting complex and adaptive vision algorithms or operate at very limited resolutions due to the immense communication and computation demands. The aim of this research is to develop a SoC-based hardware acceleration workflow for the realization of advanced vision algorithms. Hardware acceleration can improve performance for highly complex mathematical calculations or repeated functions. The performance of a SoC system can thus be improved by using hardware acceleration method to accelerate the element that incurs the highest performance overhead. The outcome of this research could be used for the implementation of various vision algorithms, such as face recognition, object detection or object tracking, on embedded platforms. The contributions of SoC-based hardware acceleration for hardware-software codesign platforms include the following: (1) development of frameworks for complex human action recognition in both 2D and 3D; (2) realization of a framework with four main implemented IPs, namely, foreground and background subtraction (foreground probability), human detection, 2D/3D point-of-interest detection and feature extraction, and OS-ELM as a machine learning algorithm for action identication; (3) use of an FPGA-based hardware acceleration method to resolve system bottlenecks and improve system performance; and (4) measurement and analysis of system specications, such as the acceleration factor, power consumption, and resource utilization. Experimental results show that the proposed SoC-based hardware acceleration approach provides better performance in terms of the acceleration factor, resource utilization and power consumption among all recent works. In addition, a comparison of the accuracy of the framework that runs on the proposed embedded platform (SoCFPGA) with the accuracy of other PC-based frameworks shows that the proposed approach outperforms most other approaches

Local Binary Patterns in Focal-Plane Processing. Analysis and Applications

Feature extraction is the part of pattern recognition, where the sensor data is transformed into a more suitable form for the machine to interpret. The purpose of this step is also to reduce the amount of information passed to the next stages of the system, and to preserve the essential information in the view of discriminating the data into different classes. For instance, in the case of image analysis the actual image intensities are vulnerable to various environmental effects, such as lighting changes and the feature extraction can be used as means for detecting features, which are invariant to certain types of illumination changes. Finally, classification tries to make decisions based on the previously transformed data. The main focus of this thesis is on developing new methods for the embedded feature extraction based on local non-parametric image descriptors. Also, feature analysis is carried out for the selected image features. Low-level Local Binary Pattern (LBP) based features are in a main role in the analysis. In the embedded domain, the pattern recognition system must usually meet strict performance constraints, such as high speed, compact size and low power consumption. The characteristics of the final system can be seen as a trade-off between these metrics, which is largely affected by the decisions made during the implementation phase. The implementation alternatives of the LBP based feature extraction are explored in the embedded domain in the context of focal-plane vision processors. In particular, the thesis demonstrates the LBP extraction with MIPA4k massively parallel focal-plane processor IC. Also higher level processing is incorporated to this framework, by means of a framework for implementing a single chip face recognition system. Furthermore, a new method for determining optical flow based on LBPs, designed in particular to the embedded domain is presented. Inspired by some of the principles observed through the feature analysis of the Local Binary Patterns, an extension to the well known non-parametric rank transform is proposed, and its performance is evaluated in face recognition experiments with a standard dataset. Finally, an a priori model where the LBPs are seen as combinations of n-tuples is also presentedSiirretty Doriast