New editing techniques for video post-processing

This thesis contributes to capturing 3D cloth shape, editing cloth texture and altering object shape and motion in multi-camera and monocular video recordings. We propose a technique to capture cloth shape from a 3D scene flow by determining optical flow in several camera views. Together with a silhouette matching constraint we can track and reconstruct cloth surfaces in long video sequences. In the area of garment motion capture, we present a system to reconstruct time-coherent triangle meshes from multi-view video recordings. Texture mapping of the acquired triangle meshes is used to replace the recorded texture with new cloth patterns. We extend this work to the more challenging single camera view case. Extracting texture deformation and shading effects simultaneously enables us to achieve texture replacement effects for garments in monocular video recordings. Finally, we propose a system for the keyframe editing of video objects. A color-based segmentation algorithm together with automatic video inpainting for filling in missing background texture allows us to edit the shape and motion of 2D video objects. We present examples for altering object trajectories, applying non-rigid deformation and simulating camera motion.In dieser Dissertation stellen wir Beiträge zur 3D-Rekonstruktion von Stoffoberfächen, zum Editieren von Stofftexturen und zum Editieren von Form und Bewegung von Videoobjekten in Multikamera- und Einkamera-Aufnahmen vor. Wir beschreiben eine Methode für die 3D-Rekonstruktion von Stoffoberflächen, die auf der Bestimmung des optischen Fluß in mehreren Kameraansichten basiert. In Kombination mit einem Abgleich der Objektsilhouetten im Video und in der Rekonstruktion erhalten wir Rekonstruktionsergebnisse für längere Videosequenzen. Für die Rekonstruktion von Kleidungsstücken beschreiben wir ein System, das zeitlich kohärente Dreiecksnetze aus Multikamera-Aufnahmen rekonstruiert. Mittels Texturemapping der erhaltenen Dreiecksnetze wird die Stofftextur in der Aufnahme mit neuen Texturen ersetzt. Wir setzen diese Arbeit fort, indem wir den anspruchsvolleren Fall mit nur einer einzelnen Videokamera betrachten. Um realistische Resultate beim Ersetzen der Textur zu erzielen, werden sowohl Texturdeformationen durch zugrundeliegende Deformation der Oberfläche als auch Beleuchtungseffekte berücksichtigt. Im letzten Teil der Dissertation stellen wir ein System zum Editieren von Videoobjekten mittels Keyframes vor. Dies wird durch eine Kombination eines farbbasierten Segmentierungsalgorithmus mit automatischem Auffüllen des Hintergrunds erreicht, wodurch Form und Bewegung von 2D-Videoobjekten editiert werden können. Wir zeigen Beispiele für editierte Objekttrajektorien, beliebige Deformationen und simulierte Kamerabewegung

Multi-sensor human action recognition with particular application to tennis event-based indexing

The ability to automatically classify human actions and activities using vi- sual sensors or by analysing body worn sensor data has been an active re- search area for many years. Only recently with advancements in both fields and the ubiquitous nature of low cost sensors in our everyday lives has auto- matic human action recognition become a reality. While traditional sports coaching systems rely on manual indexing of events from a single modality, such as visual or inertial sensors, this thesis investigates the possibility of cap- turing and automatically indexing events from multimodal sensor streams. In this work, we detail a novel approach to infer human actions by fusing multimodal sensors to improve recognition accuracy. State of the art visual action recognition approaches are also investigated. Firstly we apply these action recognition detectors to basic human actions in a non-sporting con- text. We then perform action recognition to infer tennis events in a tennis court instrumented with cameras and inertial sensing infrastructure. The system proposed in this thesis can use either visual or inertial sensors to au- tomatically recognise the main tennis events during play. A complete event retrieval system is also presented to allow coaches to build advanced queries, which existing sports coaching solutions cannot facilitate, without an inordi- nate amount of manual indexing. The event retrieval interface is evaluated against a leading commercial sports coaching tool in terms of both usability and efficiency

Human motion analysis and simulation tools: a survey

Computational systems to identify objects represented in image sequences and tracking their motion in a fully automatic manner, enabling a detailed analysis of the involved motion and its simulation are extremely relevant in several fields of our society. In particular, the analysis and simulation of the human motion has a wide spectrum of relevant applications with a manifest social and economic impact. In fact, usage of human motion data is fundamental in a broad number of domains (e.g.: sports, rehabilitation, robotics, surveillance, gesture-based user interfaces, etc.). Consequently, many relevant engineering software applications have been developed with the purpose of analyzing and/or simulating the human motion. This chapter presents a detailed, broad and up to date survey on motion simulation and/or analysis software packages that have been developed either by the scientific community or commercial entities. Moreover, a main contribution of this chapter is an effective framework to classify and compare motion simulation and analysis tools

From motion capture to interactive virtual worlds : towards unconstrained motion-capture algorithms for real-time performance-driven character animation

This dissertation takes performance-driven character animation as a representative application and advances motion capture algorithms and animation methods to meet its high demands. Existing approaches have either coarse resolution and restricted capture volume, require expensive and complex multi-camera systems, or use intrusive suits and controllers. For motion capture, set-up time is reduced using fewer cameras, accuracy is increased despite occlusions and general environments, initialization is automated, and free roaming is enabled by egocentric cameras. For animation, increased robustness enables the use of low-cost sensors input, custom control gesture definition is guided to support novice users, and animation expressiveness is increased. The important contributions are: 1) an analytic and differentiable visibility model for pose optimization under strong occlusions, 2) a volumetric contour model for automatic actor initialization in general scenes, 3) a method to annotate and augment image-pose databases automatically, 4) the utilization of unlabeled examples for character control, and 5) the generalization and disambiguation of cyclical gestures for faithful character animation. In summary, the whole process of human motion capture, processing, and application to animation is advanced. These advances on the state of the art have the potential to improve many interactive applications, within and outside virtual reality.Diese Arbeit befasst sich mit Performance-driven Character Animation, insbesondere werden Motion Capture-Algorithmen entwickelt um den hohen Anforderungen dieser Beispielanwendung gerecht zu werden. Existierende Methoden haben entweder eine geringe Genauigkeit und einen eingeschränkten Aufnahmebereich oder benötigen teure Multi-Kamera-Systeme, oder benutzen störende Controller und spezielle Anzüge. Für Motion Capture wird die Setup-Zeit verkürzt, die Genauigkeit für Verdeckungen und generelle Umgebungen erhöht, die Initialisierung automatisiert, und Bewegungseinschränkung verringert. Für Character Animation wird die Robustheit für ungenaue Sensoren erhöht, Hilfe für benutzerdefinierte Gestendefinition geboten, und die Ausdrucksstärke der Animation verbessert. Die wichtigsten Beiträge sind: 1) ein analytisches und differenzierbares Sichtbarkeitsmodell für Rekonstruktionen unter starken Verdeckungen, 2) ein volumetrisches Konturenmodell für automatische Körpermodellinitialisierung in genereller Umgebung, 3) eine Methode zur automatischen Annotation von Posen und Augmentation von Bildern in großen Datenbanken, 4) das Nutzen von Beispielbewegungen für Character Animation, und 5) die Generalisierung und Übertragung von zyklischen Gesten für genaue Charakteranimation. Es wird der gesamte Prozess erweitert, von Motion Capture bis hin zu Charakteranimation. Die Verbesserungen sind für viele interaktive Anwendungen geeignet, innerhalb und außerhalb von virtueller Realität

From motion capture to interactive virtual worlds : towards unconstrained motion-capture algorithms for real-time performance-driven character animation

This dissertation takes performance-driven character animation as a representative application and advances motion capture algorithms and animation methods to meet its high demands. Existing approaches have either coarse resolution and restricted capture volume, require expensive and complex multi-camera systems, or use intrusive suits and controllers. For motion capture, set-up time is reduced using fewer cameras, accuracy is increased despite occlusions and general environments, initialization is automated, and free roaming is enabled by egocentric cameras. For animation, increased robustness enables the use of low-cost sensors input, custom control gesture definition is guided to support novice users, and animation expressiveness is increased. The important contributions are: 1) an analytic and differentiable visibility model for pose optimization under strong occlusions, 2) a volumetric contour model for automatic actor initialization in general scenes, 3) a method to annotate and augment image-pose databases automatically, 4) the utilization of unlabeled examples for character control, and 5) the generalization and disambiguation of cyclical gestures for faithful character animation. In summary, the whole process of human motion capture, processing, and application to animation is advanced. These advances on the state of the art have the potential to improve many interactive applications, within and outside virtual reality.Diese Arbeit befasst sich mit Performance-driven Character Animation, insbesondere werden Motion Capture-Algorithmen entwickelt um den hohen Anforderungen dieser Beispielanwendung gerecht zu werden. Existierende Methoden haben entweder eine geringe Genauigkeit und einen eingeschränkten Aufnahmebereich oder benötigen teure Multi-Kamera-Systeme, oder benutzen störende Controller und spezielle Anzüge. Für Motion Capture wird die Setup-Zeit verkürzt, die Genauigkeit für Verdeckungen und generelle Umgebungen erhöht, die Initialisierung automatisiert, und Bewegungseinschränkung verringert. Für Character Animation wird die Robustheit für ungenaue Sensoren erhöht, Hilfe für benutzerdefinierte Gestendefinition geboten, und die Ausdrucksstärke der Animation verbessert. Die wichtigsten Beiträge sind: 1) ein analytisches und differenzierbares Sichtbarkeitsmodell für Rekonstruktionen unter starken Verdeckungen, 2) ein volumetrisches Konturenmodell für automatische Körpermodellinitialisierung in genereller Umgebung, 3) eine Methode zur automatischen Annotation von Posen und Augmentation von Bildern in großen Datenbanken, 4) das Nutzen von Beispielbewegungen für Character Animation, und 5) die Generalisierung und Übertragung von zyklischen Gesten für genaue Charakteranimation. Es wird der gesamte Prozess erweitert, von Motion Capture bis hin zu Charakteranimation. Die Verbesserungen sind für viele interaktive Anwendungen geeignet, innerhalb und außerhalb von virtueller Realität

From Image-based Motion Analysis to Free-Viewpoint Video

The problems of capturing real-world scenes with cameras and automatically analyzing the visible motion have traditionally been in the focus of computer vision research. The photo-realistic rendition of dynamic real-world scenes, on the other hand, is a problem that has been investigated in the field of computer graphics. In this thesis, we demonstrate that the joint solution to all three of these problems enables the creation of powerful new tools that are benecial for both research disciplines. Analysis and rendition of real-world scenes with human actors are amongst the most challenging problems. In this thesis we present new algorithmic recipes to attack them. The dissertation consists of three parts: In part I, we present novel solutions to two fundamental problems of human motion analysis. Firstly, we demonstrate a novel hybrid approach for markerfree human motion capture from multiple video streams. Thereafter, a new algorithm for automatic non-intrusive estimation of kinematic body models of arbitrary moving subjects from video is detailed. In part II of the thesis, we demonstrate that a marker-free motion capture approach makes possible the model-based reconstruction of free-viewpoint videos of human actors from only a handful of video streams. The estimated 3D videos enable the photo-realistic real-time rendition of a dynamic scene from arbitrary novel viewpoints. Texture information from video is not only applied to generate a realistic surface appearance, but also to improve the precision of the motion estimation scheme. The commitment to a generic body model also allows us to reconstruct a time-varying reflectance description of an actor`s body surface which allows us to realistically render the free-viewpoint videos under arbitrary lighting conditions. A novel method to capture high-speed large scale motion using regular still cameras and the principle of multi-exposure photography is described in part III. The fundamental principles underlying the methods in this thesis are not only applicable to humans but to a much larger class of subjects. It is demonstrated that, in conjunction, our proposed algorithmic recipes serve as building blocks for the next generation of immersive 3D visual media.Die Entwicklung neuer Algorithmen zur optischen Erfassung und Analyse der Bewegung in dynamischen Szenen ist einer der Forschungsschwerpunkte in der computergestützten Bildverarbeitung. Während im maschinellen Bildverstehen das Augenmerk auf der Extraktion von Informationen liegt, konzentriert sich die Computergrafik auf das inverse Problem, die fotorealistische Darstellung bewegter Szenen. In jüngster Vergangenheit haben sich die beiden Disziplinen kontinuierlich angenähert, da es eine Vielzahl an herausfordernden wissenschaftlichen Fragestellungen gibt, die eine gemeinsame Lösung des Bilderfassungs-, des Bildanalyse- und des Bildsyntheseproblems verlangen. Zwei der schwierigsten Probleme, welche für Forscher aus beiden Disziplinen eine große Relevanz besitzen, sind die Analyse und die Synthese von dynamischen Szenen, in denen Menschen im Mittelpunkt stehen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren vorgestellt, welche die optische Erfassung dieser Art von Szenen, die automatische Analyse der Bewegungen und die realistische neue Darstellung im Computer erlauben. Es wid deutlich werden, dass eine Integration von Algorithmen zur Lösung dieser drei Probleme in ein Gesamtsystem die Erzeugung völlig neuartiger dreidimensionaler Darstellungen von Menschen in Bewegung ermöglicht. Die Dissertation ist in drei Teile gegliedert: Teil I beginnt mit der Beschreibung des Entwurfs und des Baus eines Studios zur zeitsynchronen Erfassung mehrerer Videobildströme. Die im Studio aufgezeichneten Multivideosequenzen dienen als Eingabedaten für die im Rahmen dieser Dissertation entwickelten videogestützten Bewegunsanalyseverfahren und die Algorithmen zur Erzeugung dreidimensionaler Videos. Im Anschluß daran werden zwei neu entwickelte Verfahren vorgestellt, die Antworten auf zwei fundamentale Fragen in der optischen Erfassung menschlicher Bewegung geben, die Messung von Bewegungsparametern und die Erzeugung von kinematischen Skelettmodellen. Das erste Verfahren ist ein hybrider Algorithmus zur markierungslosen optischen Messung von Bewegunsgparametern aus Multivideodaten. Der Verzicht auf optische Markierungen wird dadurch ermöglicht, dass zur Bewegungsanalyse sowohl aus den Bilddaten rekonstruierte Volumenmodelle als auch leicht zu erfassende Körpermerkmale verwendet werden. Das zweite Verfahren dient der automatischen Rekonstruktion eines kinematischen Skelettmodells anhand von Multivideodaten. Der Algorithmus benötigt weder optischen Markierungen in der Szene noch a priori Informationen über die Körperstruktur, und ist in gleicher Form auf Menschen, Tiere und Objekte anwendbar. Das Thema das zweiten Teils dieser Arbeit ist ein modellbasiertes Verfahrenzur Rekonstruktion dreidimensionaler Videos von Menschen in Bewegung aus nur wenigen zeitsynchronen Videoströmen. Der Betrachter kann die errechneten 3D Videos auf einem Computer in Echtzeit abspielen und dabei interaktiv einen beliebigen virtuellen Blickpunkt auf die Geschehnisse einnehmen. Im Zentrum unseres Ansatzes steht ein silhouettenbasierter Analyse-durch-Synthese Algorithmus, der es ermöglicht, ohne optische Markierungen sowohl die Form als auch die Bewegung eines Menschen zu erfassen. Durch die Berechnung zeitveränderlicher Oberächentexturen aus den Videodaten ist gewährleistet, dass eine Person aus jedem beliebigen Blickwinkel ein fotorealistisches Erscheinungsbild besitzt. In einer ersten algorithmischen Erweiterung wird gezeigt, dass die Texturinformation auch zur Verbesserung der Genauigkeit der Bewegunsgssch ätzung eingesetzt werden kann. Zudem ist es durch die Verwendung eines generischen Körpermodells möglich, nicht nur dynamische Texturen sondern sogar dynamische Reektionseigenschaften der Körperoberäche zu messen. Unser Reektionsmodell besteht aus einer parametrischen BRDF für jeden Texel und einer dynamischen Normalenkarte für die gesamte Körperoberäche. Auf diese Weise können 3D Videos auch unter völlig neuen simulierten Beleuchtungsbedingungen realistisch wiedergegeben werden. Teil III dieser Arbeit beschreibt ein neuartiges Verfahren zur optischen Messung sehr schneller Bewegungen. Bisher erforderten optische Aufnahmen von Hochgeschwindigkeitsbewegungen sehr teure Spezialkameras mit hohen Bildraten. Im Gegensatz dazu verwendet die hier beschriebene Methode einfache Digitalfotokameras und das Prinzip der Multiblitzfotograe. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe dieses Verfahrens sowohl die sehr schnelle artikulierte Handbewegung des Werfers als auch die Flugparameter des Balls während eines Baseballpitches gemessen werden können. Die hochgenau erfaßten Parameter ermöglichen es, die gemessene Bewegung in völlig neuer Weise im Computer zu visualisieren. Obgleich die in dieser Dissertation vorgestellten Verfahren vornehmlich der Analyse und Darstellung menschlicher Bewegungen dienen, sind die grundlegenden Prinzipien auch auf viele anderen Szenen anwendbar. Jeder der beschriebenen Algorithmen löst zwar in erster Linie ein bestimmtes Teilproblem, aber in Ihrer Gesamtheit können die Verfahren als Bausteine verstanden werden, welche die nächste Generation interaktiver dreidimensionaler Medien ermöglichen werden

Recent Advances in Motion Analysis

The advances in the technology and methodology for human movement capture and analysis over the last decade have been remarkable. Besides acknowledged approaches for kinematic, dynamic, and electromyographic (EMG) analysis carried out in the laboratory, more recently developed devices, such as wearables, inertial measurement units, ambient sensors, and cameras or depth sensors, have been adopted on a wide scale. Furthermore, computational intelligence (CI) methods, such as artificial neural networks, have recently emerged as promising tools for the development and application of intelligent systems in motion analysis. Thus, the synergy of classic instrumentation and novel smart devices and techniques has created unique capabilities in the continuous monitoring of motor behaviors in different fields, such as clinics, sports, and ergonomics. However, real-time sensing, signal processing, human activity recognition, and characterization and interpretation of motion metrics and behaviors from sensor data still representing a challenging problem not only in laboratories but also at home and in the community. This book addresses open research issues related to the improvement of classic approaches and the development of novel technologies and techniques in the domain of motion analysis in all the various fields of application

An Advanced A-V- Player to Support Scalable Personalised Interaction with Multi-Stream Video Content

PhDCurrent Audio-Video (A-V) players are limited to pausing, resuming, selecting and viewing a single video stream of a live broadcast event that is orchestrated by a professional director. The main objective of this research is to investigate how to create a new custom-built interactive A V player that enables viewers to personalise their own orchestrated views of live events from multiple simultaneous camera streams, via interacting with tracked moving objects, being able to zoom in and out of targeted objects, and being able to switch views based upon detected incidents in specific camera views. This involves research and development of a personalisation framework to create and maintain user profiles that are acquired implicitly and explicitly and modelling how this framework supports an evaluation of the effectiveness and usability of personalisation. Personalisation is considered from both an application oriented and a quality supervision oriented perspective within the proposed framework. Personalisation models can be individually or collaboratively linked with specific personalisation usage scenarios. The quality of different personalised interaction in terms of explicit evaluative metrics such as scalability and consistency can be monitored and measured using specific evaluation mechanisms.European Union's Seventh Framework Programme ([FP7/2007-2013]) under grant agreement No. ICT- 215248 and from Queen Mary University of London

Wearable Sensors Applied in Movement Analysis

Recent advances in electronics have led to sensors whose sizes and weights are such that they can be placed on living systems without impairing their natural motion and habits. They may be worn on the body as accessories or as part of the clothing and enable personalized mobile information processing. Wearable sensors open the way for a nonintrusive and continuous monitoring of body orientation, movements, and various physiological parameters during motor activities in real-life settings. Thus, they may become crucial tools not only for researchers, but also for clinicians, as they have the potential to improve diagnosis, better monitor disease development and thereby individualize treatment. Wearable sensors should obviously go unnoticed for the people wearing them and be intuitive in their installation. They should come with wireless connectivity and low-power consumption. Moreover, the electronics system should be self-calibrating and deliver correct information that is easy to interpret. Cross-platform interfaces that provide secure data storage and easy data analysis and visualization are needed.This book contains a selection of research papers presenting new results addressing the above challenges