Video content analysis for intelligent forensics

The networks of surveillance cameras installed in public places and private territories continuously record video data with the aim of detecting and preventing unlawful activities. This enhances the importance of video content analysis applications, either for real time (i.e. analytic) or post-event (i.e. forensic) analysis. In this thesis, the primary focus is on four key aspects of video content analysis, namely; 1. Moving object detection and recognition, 2. Correction of colours in the video frames and recognition of colours of moving objects, 3. Make and model recognition of vehicles and identification of their type, 4. Detection and recognition of text information in outdoor scenes. To address the first issue, a framework is presented in the first part of the thesis that efficiently detects and recognizes moving objects in videos. The framework targets the problem of object detection in the presence of complex background. The object detection part of the framework relies on background modelling technique and a novel post processing step where the contours of the foreground regions (i.e. moving object) are refined by the classification of edge segments as belonging either to the background or to the foreground region. Further, a novel feature descriptor is devised for the classification of moving objects into humans, vehicles and background. The proposed feature descriptor captures the texture information present in the silhouette of foreground objects. To address the second issue, a framework for the correction and recognition of true colours of objects in videos is presented with novel noise reduction, colour enhancement and colour recognition stages. The colour recognition stage makes use of temporal information to reliably recognize the true colours of moving objects in multiple frames. The proposed framework is specifically designed to perform robustly on videos that have poor quality because of surrounding illumination, camera sensor imperfection and artefacts due to high compression. In the third part of the thesis, a framework for vehicle make and model recognition and type identification is presented. As a part of this work, a novel feature representation technique for distinctive representation of vehicle images has emerged. The feature representation technique uses dense feature description and mid-level feature encoding scheme to capture the texture in the frontal view of the vehicles. The proposed method is insensitive to minor in-plane rotation and skew within the image. The capability of the proposed framework can be enhanced to any number of vehicle classes without re-training. Another important contribution of this work is the publication of a comprehensive up to date dataset of vehicle images to support future research in this domain. The problem of text detection and recognition in images is addressed in the last part of the thesis. A novel technique is proposed that exploits the colour information in the image for the identification of text regions. Apart from detection, the colour information is also used to segment characters from the words. The recognition of identified characters is performed using shape features and supervised learning. Finally, a lexicon based alignment procedure is adopted to finalize the recognition of strings present in word images. Extensive experiments have been conducted on benchmark datasets to analyse the performance of proposed algorithms. The results show that the proposed moving object detection and recognition technique superseded well-know baseline techniques. The proposed framework for the correction and recognition of object colours in video frames achieved all the aforementioned goals. The performance analysis of the vehicle make and model recognition framework on multiple datasets has shown the strength and reliability of the technique when used within various scenarios. Finally, the experimental results for the text detection and recognition framework on benchmark datasets have revealed the potential of the proposed scheme for accurate detection and recognition of text in the wild

Text detection and recognition in natural images using computer vision techniques

El reconocimiento de texto en imágenes reales ha centrado la atención de muchos investigadores en todo el mundo en los últimos años. El motivo es el incremento de productos de bajo coste como teléfonos móviles o Tablet PCs que incorporan dispositivos de captura de imágenes y altas capacidades de procesamiento. Con estos antecedentes, esta tesis presenta un método robusto para detectar, localizar y reconocer texto horizontal en imágenes diurnas tomadas en escenarios reales. El reto es complejo dada la enorme variabilidad de los textos existentes y de las condiciones de captura en entornos reales. Inicialmente se presenta una revisión de los principales trabajos de los últimos años en el campo del reconocimiento de texto en imágenes naturales. Seguidamente, se lleva a cabo un estudio de las características más adecuadas para describir texto respecto de objetos no correspondientes con texto. Típicamente, un sistema de reconocimiento de texto en imágenes está formado por dos grandes etapas. La primera consiste en detectar si existe texto en la imagen y de localizarlo con la mayor precisión posible, minimizando la cantidad de texto no detectado así como el número de falsos positivos. La segunda etapa consiste en reconocer el texto extraído. El método de detección aquí propuesto está basado en análisis de componentes conexos tras aplicar una segmentación que combina un método global como MSER con un método local, de forma que se mejoran las propuestas del estado del arte al segmentar texto incluso en situaciones complejas como imágenes borrosas o de muy baja resolución. El proceso de análisis de los componentes conexos extraídos se optimiza mediante algoritmos genéticos. Al contrario que otros sistemas, nosotros proponemos un método recursivo que permite restaurar aquellos objetos correspondientes con texto y que inicialmente son erróneamente descartados. De esta forma, se consigue mejorar en gran medida la fiabilidad de la detección. Aunque el método propuesto está basado en análisis de componentes conexos, en esta tesis se utiliza también la idea de los métodos basados en texturas para validar las áreas de texto detectadas. Por otro lado, nuestro método para reconocer texto se basa en identificar cada caracter y aplicar posteriormente un modelo de lenguaje para corregir las palabras mal reconocidas, al restringir la solución a un diccionario que contiene el conjunto de posibles términos. Se propone una nueva característica para reconocer los caracteres, a la que hemos dado el nombre de Direction Histogram (DH). Se basa en calcular el histograma de las direcciones del gradiente en los pixeles de borde. Esta característica se compara con otras del estado del arte y los resultados experimentales obtenidos sobre una base de datos compleja muestran que nuestra propuesta es adecuada ya que supera otros trabajos del estado del arte. Presentamos también un método de clasificación borrosa de letras basado en KNN, el cual permite separar caracteres erróneamente conectados durante la etapa de segmentación. El método de reconocimiento de texto propuesto no es solo capaz de reconocer palabras, sino también números y signos de puntuación. El reconocimiento de palabras se lleva a cabo mediante un modelo de lenguaje basado en inferencia probabilística y el British National Corpus, un completo diccionario del inglés británico moderno, si bien el algoritmo puede ser fácilmente adaptado para ser usado con cualquier otro diccionario. El modelo de lenguaje utiliza una modificación del algoritmo forward usando en Modelos Ocultos de Markov. Para comprobar el rendimiento del sistema propuesto, se han obtenido resultados experimentales con distintas bases de datos, las cuales incluyen imágenes en diferentes escenarios y situaciones. Estas bases de datos han sido usadas como banco de pruebas en la última década por la mayoría de investigadores en el área de reconocimiento de texto en imágenes naturales. Los resultados muestran que el sistema propuesto logra un rendimiento similar al del estado del arte en términos de localización, mientras que lo supera en términos de reconocimiento. Con objeto de mostrar la aplicabilidad del método propuesto en esta tesis, se presenta también un sistema de detección y reconocimiento de la información contenida en paneles de tráfico basado en el algoritmo desarrollado. El objetivo de esta aplicación es la creación automática de inventarios de paneles de tráfico de países o regiones que faciliten el mantenimiento de la señalización vertical de las carreteras, usando imágenes disponibles en el servicio Street View de Google. Se ha creado una base de datos para esta aplicación. Proponemos modelar los paneles de tráfico usando apariencia visual en lugar de las clásicas soluciones que utilizan bordes o características geométricas, con objeto de detectar aquellas imágenes en las que existen paneles de tráfico. Los resultados experimentales muestran la viabilidad del sistema propuesto

Text detection and recognition in natural images using computer vision techniques

El reconocimiento de texto en imágenes reales ha centrado la atención de muchos investigadores en todo el mundo en los últimos años. El motivo es el incremento de productos de bajo coste como teléfonos móviles o Tablet PCs que incorporan dispositivos de captura de imágenes y altas capacidades de procesamiento. Con estos antecedentes, esta tesis presenta un método robusto para detectar, localizar y reconocer texto horizontal en imágenes diurnas tomadas en escenarios reales. El reto es complejo dada la enorme variabilidad de los textos existentes y de las condiciones de captura en entornos reales. Inicialmente se presenta una revisión de los principales trabajos de los últimos años en el campo del reconocimiento de texto en imágenes naturales. Seguidamente, se lleva a cabo un estudio de las características más adecuadas para describir texto respecto de objetos no correspondientes con texto. Típicamente, un sistema de reconocimiento de texto en imágenes está formado por dos grandes etapas. La primera consiste en detectar si existe texto en la imagen y de localizarlo con la mayor precisión posible, minimizando la cantidad de texto no detectado así como el número de falsos positivos. La segunda etapa consiste en reconocer el texto extraído. El método de detección aquí propuesto está basado en análisis de componentes conexos tras aplicar una segmentación que combina un método global como MSER con un método local, de forma que se mejoran las propuestas del estado del arte al segmentar texto incluso en situaciones complejas como imágenes borrosas o de muy baja resolución. El proceso de análisis de los componentes conexos extraídos se optimiza mediante algoritmos genéticos. Al contrario que otros sistemas, nosotros proponemos un método recursivo que permite restaurar aquellos objetos correspondientes con texto y que inicialmente son erróneamente descartados. De esta forma, se consigue mejorar en gran medida la fiabilidad de la detección. Aunque el método propuesto está basado en análisis de componentes conexos, en esta tesis se utiliza también la idea de los métodos basados en texturas para validar las áreas de texto detectadas. Por otro lado, nuestro método para reconocer texto se basa en identificar cada caracter y aplicar posteriormente un modelo de lenguaje para corregir las palabras mal reconocidas, al restringir la solución a un diccionario que contiene el conjunto de posibles términos. Se propone una nueva característica para reconocer los caracteres, a la que hemos dado el nombre de Direction Histogram (DH). Se basa en calcular el histograma de las direcciones del gradiente en los pixeles de borde. Esta característica se compara con otras del estado del arte y los resultados experimentales obtenidos sobre una base de datos compleja muestran que nuestra propuesta es adecuada ya que supera otros trabajos del estado del arte. Presentamos también un método de clasificación borrosa de letras basado en KNN, el cual permite separar caracteres erróneamente conectados durante la etapa de segmentación. El método de reconocimiento de texto propuesto no es solo capaz de reconocer palabras, sino también números y signos de puntuación. El reconocimiento de palabras se lleva a cabo mediante un modelo de lenguaje basado en inferencia probabilística y el British National Corpus, un completo diccionario del inglés británico moderno, si bien el algoritmo puede ser fácilmente adaptado para ser usado con cualquier otro diccionario. El modelo de lenguaje utiliza una modificación del algoritmo forward usando en Modelos Ocultos de Markov. Para comprobar el rendimiento del sistema propuesto, se han obtenido resultados experimentales con distintas bases de datos, las cuales incluyen imágenes en diferentes escenarios y situaciones. Estas bases de datos han sido usadas como banco de pruebas en la última década por la mayoría de investigadores en el área de reconocimiento de texto en imágenes naturales. Los resultados muestran que el sistema propuesto logra un rendimiento similar al del estado del arte en términos de localización, mientras que lo supera en términos de reconocimiento. Con objeto de mostrar la aplicabilidad del método propuesto en esta tesis, se presenta también un sistema de detección y reconocimiento de la información contenida en paneles de tráfico basado en el algoritmo desarrollado. El objetivo de esta aplicación es la creación automática de inventarios de paneles de tráfico de países o regiones que faciliten el mantenimiento de la señalización vertical de las carreteras, usando imágenes disponibles en el servicio Street View de Google. Se ha creado una base de datos para esta aplicación. Proponemos modelar los paneles de tráfico usando apariencia visual en lugar de las clásicas soluciones que utilizan bordes o características geométricas, con objeto de detectar aquellas imágenes en las que existen paneles de tráfico. Los resultados experimentales muestran la viabilidad del sistema propuesto

Image analysis using visual saliency with applications in hazmat sign detection and recognition

Visual saliency is the perceptual process that makes attractive objects stand out from their surroundings in the low-level human visual system. Visual saliency has been modeled as a preprocessing step of the human visual system for selecting the important visual information from a scene. We investigate bottom-up visual saliency using spectral analysis approaches. We present separate and composite model families that generalize existing frequency domain visual saliency models. We propose several frequency domain visual saliency models to generate saliency maps using new spectrum processing methods and an entropy-based saliency map selection approach. A group of saliency map candidates are then obtained by inverse transform. A final saliency map is selected among the candidates by minimizing the entropy of the saliency map candidates. The proposed models based on the separate and composite model families are also extended to various color spaces. We develop an evaluation tool for benchmarking visual saliency models. Experimental results show that the proposed models are more accurate and efficient than most state-of-the-art visual saliency models in predicting eye fixation.^ We use the above visual saliency models to detect the location of hazardous material (hazmat) signs in complex scenes. We develop a hazmat sign location detection and content recognition system using visual saliency. Saliency maps are employed to extract salient regions that are likely to contain hazmat sign candidates and then use a Fourier descriptor based contour matching method to locate the border of hazmat signs in these regions. This visual saliency based approach is able to increase the accuracy of sign location detection, reduce the number of false positive objects, and speed up the overall image analysis process. We also propose a color recognition method to interpret the color inside the detected hazmat sign. Experimental results show that our proposed hazmat sign location detection method is capable of detecting and recognizing projective distorted, blurred, and shaded hazmat signs at various distances.^ In other work we investigate error concealment for scalable video coding (SVC). When video compressed with SVC is transmitted over loss-prone networks, the decompressed video can suffer severe visual degradation across multiple frames. In order to enhance the visual quality, we propose an inter-layer error concealment method using motion vector averaging and slice interleaving to deal with burst packet losses and error propagation. Experimental results show that the proposed error concealment methods outperform two existing methods

Contributions to the content-based image retrieval using pictorial queries

Descripció del recurs: el 02 de novembre de 2010L'accés massiu a les càmeres digitals, els ordinadors personals i a Internet, ha propiciat la creació de grans volums de dades en format digital. En aquest context, cada vegada adquireixen major rellevància totes aquelles eines dissenyades per organitzar la informació i facilitar la seva cerca. Les imatges són un cas particular de dades que requereixen tècniques específiques de descripció i indexació. L'àrea de la visió per computador encarregada de l'estudi d'aquestes tècniques rep el nom de Recuperació d'Imatges per Contingut, en anglès Content-Based Image Retrieval (CBIR). Els sistemes de CBIR no utilitzen descripcions basades en text sinó que es basen en característiques extretes de les pròpies imatges. En contrast a les més de 6000 llengües parlades en el món, les descripcions basades en característiques visuals representen una via d'expressió universal. La intensa recerca en el camp dels sistemes de CBIR s'ha aplicat en àrees de coneixement molt diverses. Així doncs s'han desenvolupat aplicacions de CBIR relacionades amb la medicina, la protecció de la propietat intel·lectual, el periodisme, el disseny gràfic, la cerca d'informació en Internet, la preservació dels patrimoni cultural, etc. Un dels punts importants d'una aplicació de CBIR resideix en el disseny de les funcions de l'usuari. L'usuari és l'encarregat de formular les consultes a partir de les quals es fa la cerca de les imatges. Nosaltres hem centrat l'atenció en aquells sistemes en què la consulta es formula a partir d'una representació pictòrica. Hem plantejat una taxonomia dels sistemes de consulta en composada per quatre paradigmes diferents: Consulta-segons-Selecció, Consulta-segons-Composició-Icònica, Consulta-segons-Esboç i Consulta-segons-Il·lustració. Cada paradigma incorpora un nivell diferent en el potencial expressiu de l'usuari. Des de la simple selecció d'una imatge, fins a la creació d'una il·lustració en color, l'usuari és qui pren el control de les dades d'entrada del sistema. Al llarg dels capítols d'aquesta tesi hem analitzat la influència que cada paradigma de consulta exerceix en els processos interns d'un sistema de CBIR. D'aquesta manera també hem proposat un conjunt de contribucions que hem exemplificat des d'un punt de vista pràctic mitjançant una aplicació final

Contributions to the Content-Based Image Retrieval Using Pictorial Queris

L'accés massiu a les càmeres digitals, els ordinadors personals i a Internet, ha propiciat la creació de grans volums de dades en format digital. En aquest context, cada vegada adquireixen major rellevància totes aquelles eines dissenyades per organitzar la informació i facilitar la seva cerca.Les imatges són un cas particular de dades que requereixen tècniques específiques de descripció i indexació. L'àrea de la visió per computador encarregada de l'estudi d'aquestes tècniques rep el nom de Recuperació d'Imatges per Contingut, en anglès Content-Based Image Retrieval (CBIR). Els sistemes de CBIR no utilitzen descripcions basades en text sinó que es basen en característiques extretes de les pròpies imatges. En contrast a les més de 6000 llengües parlades en el món, les descripcions basades en característiques visuals representen una via d'expressió universal.La intensa recerca en el camp dels sistemes de CBIR s'ha aplicat en àrees de coneixement molt diverses. Així doncs s'han desenvolupat aplicacions de CBIR relacionades amb la medicina, la protecció de la propietat intel·lectual, el periodisme, el disseny gràfic, la cerca d'informació en Internet, la preservació dels patrimoni cultural, etc. Un dels punts importants d'una aplicació de CBIR resideix en el disseny de les funcions de l'usuari. L'usuari és l'encarregat de formular les consultes a partir de les quals es fa la cerca de les imatges. Nosaltres hem centrat l'atenció en aquells sistemes en què la consulta es formula a partir d'una representació pictòrica. Hem plantejat una taxonomia dels sistemes de consulta en composada per quatre paradigmes diferents: Consulta-segons-Selecció, Consulta-segons-Composició-Icònica, Consulta-segons-Esboç i Consulta-segons-Il·lustració. Cada paradigma incorpora un nivell diferent en el potencial expressiu de l'usuari. Des de la simple selecció d'una imatge, fins a la creació d'una il·lustració en color, l'usuari és qui pren el control de les dades d'entrada del sistema. Al llarg dels capítols d'aquesta tesi hem analitzat la influència que cada paradigma de consulta exerceix en els processos interns d'un sistema de CBIR. D'aquesta manera també hem proposat un conjunt de contribucions que hem exemplificat des d'un punt de vista pràctic mitjançant una aplicació final

Visual Odometer on Videos of Endoscopic Capsules (VOVEC)

Desde a sua introdução em 2001, as cápsulas endoscópicas tornaram-se o principal método para obter imagens do intestino - uma região de difícil acesso através de métodos de endoscopia tradicionais - revolucionando a maneira como os diagnósticos no campo das doenças do intestino delgado são feitos. Estas cápsulas com dimensões comparáveis a um comprimido vitamínico tiram partido de uma câmera wireless para criar vídeos de 8 a 10 horas do trato digestivo dos pacientes. Devido à longa duração dos vídeos produzidos, o diagnóstico humano é moroso, entediante e propício a erros. Para além disto, depois de encontrada uma lesão, a informação da sua localização é escassa e dependente de hardware externo, levando a que uma solução baseada apensa em software com precisão melhorada seja bastante desejada. Este trabalho advém desta necessidade e, tendo-a em mente, propomos a implementação de dois métodos baseados em deep-learning, visando melhorar em relação às limitações dos sistemas atuais de localização de cápsulas endoscópicas. Para treinar e testar as nossas redes neuronais, um dataset que contém 111 vídeos da cápsula PillCam SB3 e 338 da cápsula PillCam SB2 foi utilizado, cortesia do Centro Hospitalar do Porto (CHP).O primeiro método consiste numa simples estimação do deslocamento da cápsula ao longo do intestino delgado utilizando uma HomographyNet, uma abordagem de deep-learning supervisionado usada para o cálculo de homografias entre imagens.Já no segundo método uma posição relativa 3D da cápsula é fornecida ao longo do intestino delgado, recorrendo a um método não-supervisionado de deep-learning denominado SfMLearner. Este método combina uma DepthNet e uma PoseNet para aprender a profundidade da imagem e a posição da cápsula em simultâneo.Since its introduction in 2001, capsule endoscopy has become the leading screening method for the small bowel - a region not easily accessible with traditional endoscopy techniques - revolutionizing the way diagnostics work in the field of small bowel diseases. These capsules are vitamin-sized and leverage from a small wireless camera to create 8 to 10 hour videos of the patients digestive tract. Due to the long duration of the videos produced, the human-based diagnosis is elongated, tedious and error-prone. Moreover, once a lesion is found, the localization information is scarce and hardware dependent, entailing desirability for a software-only endoscopic capsule localization system with added precision. This work stems from this need and, bearing this in mind, we propose the implementation of two deep-learning based methods to improve upon the limitations of the techniques used so far for the capsule position estimation. To train and test our networks, a dataset of 111 PillCam SB3 and 338 PillCam SB2 videos were used, courtesy of Centro Hospitalar do Porto (CHP).The first method consists in a simple capsule displacement estimation throughout the small bowel utilizing HomographyNet, a deep learning supervised approach that is used for homography computation between images. (DeTone et al. (2016))Differently, the second proposed method is intended to provide a 3D position along the small intestine, utilizing a deep learning unsupervised approach labeled SfMLearner, which takes advantage of a combination between a DepthNet and a PoseNet to learn depth and ego-motion from video simultaneously. (Zhou et al. (2017)

Advanced document data extraction techniques to improve supply chain performance

In this thesis, a novel machine learning technique to extract text-based information from scanned images has been developed. This information extraction is performed in the context of scanned invoices and bills used in financial transactions. These financial transactions contain a considerable amount of data that must be extracted, refined, and stored digitally before it can be used for analysis. Converting this data into a digital format is often a time-consuming process. Automation and data optimisation show promise as methods for reducing the time required and the cost of Supply Chain Management (SCM) processes, especially Supplier Invoice Management (SIM), Financial Supply Chain Management (FSCM) and Supply Chain procurement processes. This thesis uses a cross-disciplinary approach involving Computer Science and Operational Management to explore the benefit of automated invoice data extraction in business and its impact on SCM. The study adopts a multimethod approach based on empirical research, surveys, and interviews performed on selected companies.The expert system developed in this thesis focuses on two distinct areas of research: Text/Object Detection and Text Extraction. For Text/Object Detection, the Faster R-CNN model was analysed. While this model yields outstanding results in terms of object detection, it is limited by poor performance when image quality is low. The Generative Adversarial Network (GAN) model is proposed in response to this limitation. The GAN model is a generator network that is implemented with the help of the Faster R-CNN model and a discriminator that relies on PatchGAN. The output of the GAN model is text data with bonding boxes. For text extraction from the bounding box, a novel data extraction framework consisting of various processes including XML processing in case of existing OCR engine, bounding box pre-processing, text clean up, OCR error correction, spell check, type check, pattern-based matching, and finally, a learning mechanism for automatizing future data extraction was designed. Whichever fields the system can extract successfully are provided in key-value format.The efficiency of the proposed system was validated using existing datasets such as SROIE and VATI. Real-time data was validated using invoices that were collected by two companies that provide invoice automation services in various countries. Currently, these scanned invoices are sent to an OCR system such as OmniPage, Tesseract, or ABBYY FRE to extract text blocks and later, a rule-based engine is used to extract relevant data. While the system’s methodology is robust, the companies surveyed were not satisfied with its accuracy. Thus, they sought out new, optimized solutions. To confirm the results, the engines were used to return XML-based files with text and metadata identified. The output XML data was then fed into this new system for information extraction. This system uses the existing OCR engine and a novel, self-adaptive, learning-based OCR engine. This new engine is based on the GAN model for better text identification. Experiments were conducted on various invoice formats to further test and refine its extraction capabilities. For cost optimisation and the analysis of spend classification, additional data were provided by another company in London that holds expertise in reducing their clients' procurement costs. This data was fed into our system to get a deeper level of spend classification and categorisation. This helped the company to reduce its reliance on human effort and allowed for greater efficiency in comparison with the process of performing similar tasks manually using excel sheets and Business Intelligence (BI) tools.The intention behind the development of this novel methodology was twofold. First, to test and develop a novel solution that does not depend on any specific OCR technology. Second, to increase the information extraction accuracy factor over that of existing methodologies. Finally, it evaluates the real-world need for the system and the impact it would have on SCM. This newly developed method is generic and can extract text from any given invoice, making it a valuable tool for optimizing SCM. In addition, the system uses a template-matching approach to ensure the quality of the extracted information