360-Degree Panoramic Video Coding

Virtual reality (VR) creates an immersive experience of real world in virtual environment through computer interface. Due to the technological advancements in recent years, VR technology is growing very fast and as a result industrial usage of this technology is feasible nowadays. This technology is being used in many applications for example gaming, education, streaming live events, etc. Since VR is visualizing the real world experience, the image or video content which is used must represent the whole 3D world characteristics. Omnidirectional images/videos demonstrate such characteristics and hence are used in VR applications. However, these contents are not suitable for conventional video coding standards, which use only 2D image/video format content. Accordingly, the omnidirectional content are projected onto a 2D image plane using cylindrical or pseudo-cylindrical projections. In this work, coding methods for two types of projection formats that are popular among the VR contents are studied: Equirectangular panoramic projection and Pseudo-cylindrical panoramic projection. The equirectangular projection is the most commonly used format in VR applications due to its rectangular image plane and also wide support in software development environments. However, this projection stretches the nadir and zenith areas of the panorama and as a result contain a relatively large portion of redundant data in these areas. The redundant information causes extra bitrate and also higher encoding/decoding time. Regional downsampling (RDS) methods are used in this work in order to decrease the extra bitrate caused by over-stretched polar areas. These methods are categorized into persistent regional down-sampling (P-RDS) and temporal regional down-sampling (T-RDS) methods. In the P-RDS method, the down-sampling is applied to all frames of the video, but in the T-RDS method, only inter frames are down-sampled and the intra frames are coded in full resolution format in order to maintain the highest possible quality of these frames. The pseudo-cylindrical projections map the 3D spherical domain to a non-rectangular 2D image plane in which the polar areas do not have redundant information. Therefore, the more realistic sample distribution of 3D world is achieved by using these projection formats. However, because of non-rectangular image plane format, pseudocylindrical panoramas are not favorable for image/video coding standards and as a result the compression performance is not efficient. Therefore, two methods are investigated for improving the intra-frame and inter-frame compression of these panorama formats. In the intra-frame coding method, border edges are smoothed by modifying the content of the image in non-effective picture area. In the interframe coding method, gaining the benefit of 360-degree property of the content, non-effective picture area of reference frames at the border is filled with the content of the effective picture area from the opposite border to improve the performance of motion compensation. As a final contribution, the quality assessment methods in VR applications are studied. Since the VR content are mainly displayed in head mounted displays (HMDs) which use 3D coordinate system, measuring the quality of decoded image/video with conventional methods does not represent the quality fairly. In this work, spherical quality metrics are investigated for measuring the quality of the proposed coding methods of omnidirectional panoramas. Moreover, a novel spherical quality metric (USS-PSNR) is proposed for evaluating the quality of VR images/video

WATCHING PEOPLE: ALGORITHMS TO STUDY HUMAN MOTION AND ACTIVITIES

Nowadays human motion analysis is one of the most active research topics in Computer Vision and it is receiving an increasing attention from both the industrial and scientific communities. The growing interest in human motion analysis is motivated by the increasing number of promising applications, ranging from surveillance, human–computer interaction, virtual reality to healthcare, sports, computer games and video conferencing, just to name a few. The aim of this thesis is to give an overview of the various tasks involved in visual motion analysis of the human body and to present the issues and possible solutions related to it. In this thesis, visual motion analysis is categorized into three major areas related to the interpretation of human motion: tracking of human motion using virtual pan-tilt-zoom (vPTZ) camera, recognition of human motions and human behaviors segmentation. In the field of human motion tracking, a virtual environment for PTZ cameras (vPTZ) is presented to overcame the mechanical limitations of PTZ cameras. The vPTZ is built on equirectangular images acquired by 360° cameras and it allows not only the development of pedestrian tracking algorithms but also the comparison of their performances. On the basis of this virtual environment, three novel pedestrian tracking algorithms for 360° cameras were developed, two of which adopt a tracking-by-detection approach while the last adopts a Bayesian approach. The action recognition problem is addressed by an algorithm that represents actions in terms of multinomial distributions of frequent sequential patterns of different length. Frequent sequential patterns are series of data descriptors that occur many times in the data. The proposed method learns a codebook of frequent sequential patterns by means of an apriori-like algorithm. An action is then represented with a Bag-of-Frequent-Sequential-Patterns approach. In the last part of this thesis a methodology to semi-automatically annotate behavioral data given a small set of manually annotated data is presented. The resulting methodology is not only effective in the semi-automated annotation task but can also be used in presence of abnormal behaviors, as demonstrated empirically by testing the system on data collected from children affected by neuro-developmental disorders

Compression pour la communication interactive de contenus visuels

Interactive images and videos have received increasing attention due to the interesting features they provide. With these contents, users can navigate within the content and explore the scene from the viewpoint they desire. The characteristics of these media make their compression very challenging. On the one hand, the data is captured in high resolution (very large) to experience a real sense of immersion. On the other hand, the user requests a small portion of the content during navigation. This requires two characteristics: efficient compression of data by exploiting redundancies within the content (to lower the storage cost), and random access ability to extract part of the compressed stream requested by the user (to lower the transmission rate). Classical compression schemes can not handle random accessibility because they use a fixed pre-defined order of sources to capture redundancies.The purpose of this thesis is to provide new tools for interactive compression schemes of images. For that, as the first contribution, we propose an evaluation framework by which we can compare different image/video interactive compression schemes. Moreover, former theoretical studies show that random accessibility can be achieved using incremental codes with the same transmission cost as non-interactive schemes and with reasonable storage overhead. Our second contribution is to build a generic coding scheme that can deal with various interactive media. Using this generic coder, we then propose compression tools for 360-degree images and 3D model texture maps with random access ability to extract the requested part. We also propose new representations for these modalities. Finally, we study the effect of model selection on the compression rates of these interactive coders.Les images et vidéos interactives ont récemment vu croître leur popularité. En effet, avec ce type de contenu, les utilisateurs peuvent naviguer dans la scène et changer librement de point de vue. Les caractéristiques de ces supports posent de nouveaux défis pour la compression. D'une part, les données sont capturées en très haute résolution pour obtenir un réel sentiment d'immersion. D'autre part, seule une petite partie du contenu est visualisée par l'utilisateur lors de sa navigation. Cela induit deux caractéristiques : une compression efficace des données en exploitant les redondances au sein du contenu (pour réduire les coûts de stockage) et une compression avec accès aléatoire pour extraire la partie du flux compressé demandée par l'utilisateur (pour réduire le débit de transmission). Les schémas classiques de compression ne peuvent gérer de manière optimale l’accès aléatoire, car ils utilisent un ordre de traitement des données fixe et prédéfini qui ne peut s'adapter à la navigation de l'utilisateur.Le but de cette thèse est de fournir de nouveaux outils pour les schémas interactifs de compression d’images. Pour cela, comme première contribution, nous proposons un cadre d’évaluation permettant de comparer différents schémas interactifs de compression d'image / vidéo. En outre, des études théoriques antérieures ont montré que l’accès aléatoire peut être obtenu à l’aide de codes incrémentaux présentant le même coût de transmission que les schémas non interactifs au prix d'une faible augmentation du coût de stockage. Notre deuxième contribution consiste à créer un schéma de codage générique pouvant s'appliquer à divers supports interactifs. À l'aide de ce codeur générique, nous proposons ensuite des outils de compression pour deux modalités d'images interactives : les images omnidirectionnelles (360 degrés) et les cartes de texture de modèle 3D. Nous proposons également de nouvelles représentations de ces modalités. Enfin, nous étudions l’effet de la sélection du modèle sur les taux de compression de ces codeurs interactifs

Indoor Scene Understanding using Non-Conventional Cameras

Los seres humanos comprendemos los entornos que nos rodean sin esfuerzo y bajo una amplia variedad de condiciones, lo cual es debido principalmente a nuestra percepción visual. Desarrollar algoritmos de Computer Vision que logren una comprensión visual similar es muy deseable, para permitir que las máquinas puedan realizar tareas complejas e interactuar con el mundo real, con el principal objectivo de ayudar y entretener a los seres humanos. En esta tesis, estamos especialmente interesados en los problemas que surgen durante la búsqueda de la comprensión visual de espacios interiores, ya que es dónde los seres humanos pasamos la mayor parte de nuestro tiempo, así como en la búsqueda del sensor más adecuado para logar dicha comprensión. Con respecto a los sensores, en este trabajo proponemos utilizar cámaras no convencionales, en concreto imágenes panorámicas y sensores 3D. Con respecto a la comprensión de interiores, nos centramos en tres aspectos clave: estimación del diseño 3D de la escena (distribución de paredes, techo y suelo); detección, localización y segmentación de objetos; y modelado de objetos por categoría, para los que se proporcionan soluciones novedosas y eficientes. El enfoque de la tesis se centra en los siguientes desafíos subyacentes. En primer lugar, investigamos métodos de reconstrucción 3D de habitaciones a partir de una única imagen de 360, utilizado para lograr el nivel más alto de modelado y comprensión de la escena. Para ello combinamos ideas tradicionales, como la asunción del mundo Manhattan por la cual la escena se puede definir en base a tres direcciones principales ortogonales entre si, con técnicas de aprendizaje profundo, que nos permiten estimar probabilidades en la imagen a nivel de pixel para detectar los elementos estructurales de la habitación. Los modelos propuestos nos permiten estimar correctamente incluso partes de la habitación no visibles en la imágen, logrando reconstrucciones fieles a la realidad y generalizando por tanto a modelos de escena más complejos. Al mismo tiempo, se proponen nuevos métodos para trabajar con imágenes panorámicas, destacando la propuesta de una convolución especial que deforma el kernel para compensar las distorsiones de la proyección equirrectangular propia de dichas imágenes.En segundo lugar, considerando la importancia del contexto para la comprensión de la escena, estudiamos el problema de la localización y segmentación de objetos, adaptando el problema para aprovechar todo el potencial de las imágenes de $360^\circ$. También aprovechamos la interacción escena-objetos para elevar las detecciones 2D en la imagen de los objetos al modelo 3D de la habitación.La última línea de trabajo de esta tesis se centra en el análisis de la forma de los objetos directamente en 3D, trabajando con nubes de puntos. Para ello proponemos utilizar un modelado explícito de la deformación de los objetos e incluir una noción de la simetría de estos para aprender, de manera no supervisada, puntos clave de la geometría de los objetos que sean representativos de los mismos. Dichos puntos estan en correspondencia, tanto geométrica como semántica, entre todos los objetos de una misma categoría.Nuestros modelos avanzan el estado del arte en las tareas antes mencionadas, siendo evaluados cada uno de ellos en varios datasets y en los benchmarks correspondientes.<br /

Deep Learning for 3D Visual Perception

La percepción visual 3D se refiere al conjunto de problemas que engloban la reunión de información a través de un sensor visual y la estimación la posición tridimensional y estructura de los objetos y formaciones al rededor del sensor. Algunas funcionalidades como la estimación de la ego moción o construcción de mapas are esenciales para otras tareas de más alto nivel como conducción autónoma o realidad aumentada. En esta tesis se han atacado varios desafíos en la percepción 3D, todos ellos útiles desde la perspectiva de SLAM (Localización y Mapeo Simultáneos) que en si es un problema de percepción 3D.Localización y Mapeo Simultáneos –SLAM– busca realizar el seguimiento de la posición de un dispositivo (por ejemplo de un robot, un teléfono o unas gafas de realidad virtual) con respecto al mapa que está construyendo simultáneamente mientras la plataforma explora el entorno. SLAM es una tecnología muy relevante en distintas aplicaciones como realidad virtual, realidad aumentada o conducción autónoma. SLAM Visual es el termino utilizado para referirse al problema de SLAM resuelto utilizando unicamente sensores visuales. Muchas de las piezas del sistema ideal de SLAM son, hoy en día, bien conocidas, maduras y en muchos casos presentes en aplicaciones. Sin embargo, hay otras piezas que todavía presentan desafíos de investigación significantes. En particular, en los que hemos trabajado en esta tesis son la estimación de la estructura 3D al rededor de una cámara a partir de una sola imagen, reconocimiento de lugares ya visitados bajo cambios de apariencia drásticos, reconstrucción de alto nivel o SLAM en entornos dinámicos; todos ellos utilizando redes neuronales profundas.Estimación de profundidad monocular is la tarea de percibir la distancia a la cámara de cada uno de los pixeles en la imagen, utilizando solo la información que obtenemos de una única imagen. Este es un problema mal condicionado, y por lo tanto es muy difícil de inferir la profundidad exacta de los puntos en una sola imagen. Requiere conocimiento de lo que se ve y del sensor que utilizamos. Por ejemplo, si podemos saber que un modelo de coche tiene cierta altura y también sabemos el tipo de cámara que hemos utilizado (distancia focal, tamaño de pixel...); podemos decir que si ese coche tiene cierta altura en la imagen, por ejemplo 50 pixeles, esta a cierta distancia de la cámara. Para ello nosotros presentamos el primer trabajo capaz de estimar profundidad a partir de una sola vista que es capaz de obtener un funcionamiento razonable con múltiples tipos de cámara; como un teléfono o una cámara de video.También presentamos como estimar, utilizando una sola imagen, la estructura de una habitación o el plan de la habitación. Para este segundo trabajo, aprovechamos imágenes esféricas tomadas por una cámara panorámica utilizando una representación equirectangular. Utilizando estas imágenes recuperamos el plan de la habitación, nuestro objetivo es reconocer las pistas en la imagen que definen la estructura de una habitación. Nos centramos en recuperar la versión más simple, que son las lineas que separan suelo, paredes y techo.Localización y mapeo a largo plazo requiere dar solución a los cambios de apariencia en el entorno; el efecto que puede tener en una imagen tomarla en invierno o verano puede ser muy grande. Introducimos un modelo multivista invariante a cambios de apariencia que resuelve el problema de reconocimiento de lugares de forma robusta. El reconocimiento de lugares visual trata de identificar un lugar que ya hemos visitado asociando pistas visuales que se ven en las imágenes; la tomada en el pasado y la tomada en el presente. Lo preferible es ser invariante a cambios en punto de vista, iluminación, objetos dinámicos y cambios de apariencia a largo plazo como el día y la noche, las estaciones o el clima.Para tener funcionalidad a largo plazo también presentamos DynaSLAM, un sistema de SLAM que distingue las partes estáticas y dinámicas de la escena. Se asegura de estimar su posición unicamente basándose en las partes estáticas y solo reconstruye el mapa de las partes estáticas. De forma que si visitamos una escena de nuevo, nuestro mapa no se ve afectado por la presencia de nuevos objetos dinámicos o la desaparición de los anteriores.En resumen, en esta tesis contribuimos a diferentes problemas de percepción 3D; todos ellos resuelven problemas del SLAM Visual.<br /

Behind every domain there is a shift: adapting distortion-aware vision transformers for panoramic semantic segmentation

In this paper, we address panoramic semantic segmentation which is under-explored due to two critical challenges: (1) image distortions and object deformations on panoramas; (2) lack of semantic annotations in the 360∘ imagery. To tackle these problems, first, we propose the upgraded Transformer for Panoramic Semantic Segmentation, ie, Trans4PASS+, equipped with Deformable Patch Embedding (DPE) and Deformable MLP (DMLPv2) modules for handling object deformations and image distortions whenever (before or after adaptation) and wherever (shallow or deep levels). Second, we enhance the Mutual Prototypical Adaptation (MPA) strategy via pseudo-label rectification for unsupervised domain adaptive panoramic segmentation. Third, aside from Pinhole-to-Panoramic ( Pin2Pan ) adaptation, we create a new dataset (SynPASS) with 9,080 panoramic images, facilitating Synthetic-to-Real ( Syn2Real ) adaptation scheme in 360∘ imagery. Extensive experiments are conducted, which cover indoor and outdoor scenarios, and each of them is investigated with Pin2Pan and Syn2Real regimens. Trans4PASS+ achieves state-of-the-art performances on four domain adaptive panoramic semantic segmentation benchmarks. Code is available at https://github.com/jamycheung/Trans4PASS

Behind every domain there is a shift: adapting distortion-aware vision transformers for panoramic semantic segmentation

In this paper, we address panoramic semantic segmentation which is under-explored due to two critical challenges: (1) image distortions and object deformations on panoramas; (2) lack of semantic annotations in the 360◦ imagery. To tackle these problems, first, we propose the upgraded Transformer for Panoramic Semantic Segmentation, i.e., Trans4PASS+, equipped with Deformable Patch Embedding (DPE) and Deformable MLP (DMLPv2) modules for handling object deformations and image distortions whenever (before or after adaptation) and wherever (shallow or deep levels). Second, we enhance the Mutual Prototypical Adaptation (MPA) strategy via pseudo-label rectification for unsupervised domain adaptive panoramic segmentation. Third, aside from Pinhole-to-Panoramic (PIN2PAN) adaptation, we create a new dataset (SynPASS) with 9,080 panoramic images, facilitating Synthetic-to-Real (SYN2REAL) adaptation scheme in 360◦ imagery. Extensive experiments are conducted, which cover indoor and outdoor scenarios, and each of them is investigated with PIN2PAN and SYN2REAL regimens. Trans4PASS+ achieves state-of-the-art performances on four domain adaptive panoramic semantic segmentation benchmarks. Code is available at https://github.com/jamycheung/Trans4PASS