Time-slice analysis of dyadic human activity

La reconnaissance d’activités humaines à partir de données vidéo est utilisée pour la surveillance ainsi que pour des applications d’interaction homme-machine. Le principal objectif est de classer les vidéos dans l’une des k classes d’actions à partir de vidéos entièrement observées. Cependant, de tout temps, les systèmes intelligents sont améliorés afin de prendre des décisions basées sur des incertitudes et ou des informations incomplètes. Ce besoin nous motive à introduire le problème de l’analyse de l’incertitude associée aux activités humaines et de pouvoir passer à un nouveau niveau de généralité lié aux problèmes d’analyse d’actions. Nous allons également présenter le problème de reconnaissance d’activités par intervalle de temps, qui vise à explorer l’activité humaine dans un intervalle de temps court. Il a été démontré que l’analyse par intervalle de temps est utile pour la caractérisation des mouvements et en général pour l’analyse de contenus vidéo. Ces études nous encouragent à utiliser ces intervalles de temps afin d’analyser l’incertitude associée aux activités humaines. Nous allons détailler à quel degré de certitude chaque activité se produit au cours de la vidéo. Dans cette thèse, l’analyse par intervalle de temps d’activités humaines avec incertitudes sera structurée en 3 parties. i) Nous présentons une nouvelle famille de descripteurs spatiotemporels optimisés pour la prédiction précoce avec annotations d’intervalle de temps. Notre représentation prédictive du point d’intérêt spatiotemporel (Predict-STIP) est basée sur l’idée de la contingence entre intervalles de temps. ii) Nous exploitons des techniques de pointe pour extraire des points d’intérêts afin de représenter ces intervalles de temps. iii) Nous utilisons des relations (uniformes et par paires) basées sur les réseaux neuronaux convolutionnels entre les différentes parties du corps de l’individu dans chaque intervalle de temps. Les relations uniformes enregistrent l’apparence locale de la partie du corps tandis que les relations par paires captent les relations contextuelles locales entre les parties du corps. Nous extrayons les spécificités de chaque image dans l’intervalle de temps et examinons différentes façons de les agréger temporellement afin de générer un descripteur pour tout l’intervalle de temps. En outre, nous créons une nouvelle base de données qui est annotée à de multiples intervalles de temps courts, permettant la modélisation de l’incertitude inhérente à la reconnaissance d’activités par intervalle de temps. Les résultats expérimentaux montrent l’efficience de notre stratégie dans l’analyse des mouvements humains avec incertitude.Recognizing human activities from video data is routinely leveraged for surveillance and human-computer interaction applications. The main focus has been classifying videos into one of k action classes from fully observed videos. However, intelligent systems must to make decisions under uncertainty, and based on incomplete information. This need motivates us to introduce the problem of analysing the uncertainty associated with human activities and move to a new level of generality in the action analysis problem. We also present the problem of time-slice activity recognition which aims to explore human activity at a small temporal granularity. Time-slice recognition is able to infer human behaviours from a short temporal window. It has been shown that temporal slice analysis is helpful for motion characterization and for video content representation in general. These studies motivate us to consider timeslices for analysing the uncertainty associated with human activities. We report to what degree of certainty each activity is occurring throughout the video from definitely not occurring to definitely occurring. In this research, we propose three frameworks for time-slice analysis of dyadic human activity under uncertainty. i) We present a new family of spatio-temporal descriptors which are optimized for early prediction with time-slice action annotations. Our predictive spatiotemporal interest point (Predict-STIP) representation is based on the intuition of temporal contingency between time-slices. ii) we exploit state-of-the art techniques to extract interest points in order to represent time-slices. We also present an accumulative uncertainty to depict the uncertainty associated with partially observed videos for the task of early activity recognition. iii) we use Convolutional Neural Networks-based unary and pairwise relations between human body joints in each time-slice. The unary term captures the local appearance of the joints while the pairwise term captures the local contextual relations between the parts. We extract these features from each frame in a time-slice and examine different temporal aggregations to generate a descriptor for the whole time-slice. Furthermore, we create a novel dataset which is annotated at multiple short temporal windows, allowing the modelling of the inherent uncertainty in time-slice activity recognition. All the three methods have been evaluated on TAP dataset. Experimental results demonstrate the effectiveness of our framework in the analysis of dyadic activities under uncertaint

Multi-Modality Human Action Recognition

Human action recognition is very useful in many applications in various areas, e.g. video surveillance, HCI (Human computer interaction), video retrieval, gaming and security. Recently, human action recognition becomes an active research topic in computer vision and pattern recognition. A number of action recognition approaches have been proposed. However, most of the approaches are designed on the RGB images sequences, where the action data was collected by RGB/intensity camera. Thus the recognition performance is usually related to various occlusion, background, and lighting conditions of the image sequences. If more information can be provided along with the image sequences, more data sources other than the RGB video can be utilized, human actions could be better represented and recognized by the designed computer vision system.;In this dissertation, the multi-modality human action recognition is studied. On one hand, we introduce the study of multi-spectral action recognition, which involves the information from different spectrum beyond visible, e.g. infrared and near infrared. Action recognition in individual spectra is explored and new methods are proposed. Then the cross-spectral action recognition is also investigated and novel approaches are proposed in our work. On the other hand, since the depth imaging technology has made a significant progress recently, where depth information can be captured simultaneously with the RGB videos. The depth-based human action recognition is also investigated. I first propose a method combining different type of depth data to recognize human actions. Then a thorough evaluation is conducted on spatiotemporal interest point (STIP) based features for depth-based action recognition. Finally, I advocate the study of fusing different features for depth-based action analysis. Moreover, human depression recognition is studied by combining facial appearance model as well as facial dynamic model

Human and Animal Behavior Understanding

Human and animal behavior understanding is an important yet challenging task in computer vision. It has a variety of real-world applications including human computer interaction (HCI), video surveillance, pharmacology, genetics, etc. We first present an evaluation of spatiotemporal interest point features (STIPs) for depth-based human action recognition, and then propose a framework call TriViews for 3D human action recognition with RGB-D data. Finally, we investigate a new approach for animal behavior recognition based on tracking, video content extraction and data fusion.;STIPs features are widely used with good performance for action recognition using the visible light videos. Recently, with the advance of depth imaging technology, a new modality has appeared for human action recognition. It is important to assess the performance and usefulness of the STIPs features for action analysis on the new modality of 3D depth map. Three detectors and six descriptors are combined to form various STIPs features in this thesis. Experiments are conducted on four challenging depth datasets.;We present an effective framework called TriViews to utilize 3D information for human action recognition. It projects the 3D depth maps into three views, i.e., front, side, and top views. Under this framework, five features are extracted from each view, separately. Then the three views are combined to derive a complete description of the 3D data. The five features characterize action patterns from different aspects, among which the top three best features are selected and fused based on a probabilistic fusion approach (PFA). We evaluate the proposed framework on three challenging depth action datasets. The experimental results show that the proposed TriViews framework achieves the most accurate results for depth-based action recognition, better than the state-of-the-art methods on all three databases.;Compared to human actions, animal behaviors exhibit some different characteristics. For example, animal body is much less expressive than human body, so some visual features and frameworks which are widely used for human action representation, cannot work well for animals. We investigate two features for mice behavior recognition, i.e., sparse and dense trajectory features. Sparse trajectory feature relies on tracking heavily. If tracking fails, the performance of sparse trajectory feature may deteriorate. In contrast, dense trajectory features are much more robust without relying on the tracking, thus the integration of these two features could be of practical significance. A fusion approach is proposed for mice behavior recognition. Experimental results on two public databases show that the integration of sparse and dense trajectory features can improve the recognition performance

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

Action Recognition in Videos: from Motion Capture Labs to the Web

This paper presents a survey of human action recognition approaches based on visual data recorded from a single video camera. We propose an organizing framework which puts in evidence the evolution of the area, with techniques moving from heavily constrained motion capture scenarios towards more challenging, realistic, "in the wild" videos. The proposed organization is based on the representation used as input for the recognition task, emphasizing the hypothesis assumed and thus, the constraints imposed on the type of video that each technique is able to address. Expliciting the hypothesis and constraints makes the framework particularly useful to select a method, given an application. Another advantage of the proposed organization is that it allows categorizing newest approaches seamlessly with traditional ones, while providing an insightful perspective of the evolution of the action recognition task up to now. That perspective is the basis for the discussion in the end of the paper, where we also present the main open issues in the area.Comment: Preprint submitted to CVIU, survey paper, 46 pages, 2 figures, 4 table

Spontaneous Subtle Expression Detection and Recognition based on Facial Strain

Optical strain is an extension of optical flow that is capable of quantifying subtle changes on faces and representing the minute facial motion intensities at the pixel level. This is computationally essential for the relatively new field of spontaneous micro-expression, where subtle expressions can be technically challenging to pinpoint. In this paper, we present a novel method for detecting and recognizing micro-expressions by utilizing facial optical strain magnitudes to construct optical strain features and optical strain weighted features. The two sets of features are then concatenated to form the resultant feature histogram. Experiments were performed on the CASME II and SMIC databases. We demonstrate on both databases, the usefulness of optical strain information and more importantly, that our best approaches are able to outperform the original baseline results for both detection and recognition tasks. A comparison of the proposed method with other existing spatio-temporal feature extraction approaches is also presented.Comment: 21 pages (including references), single column format, accepted to Signal Processing: Image Communication journa