Fusion of non-visual and visual sensors for human tracking

Human tracking is an extensively researched yet still challenging area in the Computer Vision field, with a wide range of applications such as surveillance and healthcare. People may not be successfully tracked with merely the visual information in challenging cases such as long-term occlusion. Thus, we propose to combine information from other sensors with the surveillance cameras to persistently localize and track humans, which is becoming more promising with the pervasiveness of mobile devices such as cellphones, smart watches and smart glasses embedded with all kinds of sensors including accelerometers, gyroscopes, magnetometers, GPS, WiFi modules and so on. In this thesis, we firstly investigate the application of Inertial Measurement Unit (IMU) from mobile devices to human activity recognition and human tracking, we then develop novel persistent human tracking and indoor localization algorithms by the fusion of non-visual sensors and visual sensors, which not only overcomes the occlusion challenge in visual tracking, but also alleviates the calibration and drift problems in IMU tracking --Abstract, page iii

Robust and affordable localization and mapping for 3D reconstruction. Application to architecture and construction

La localización y mapeado simultáneo a partir de una sola cámara en movimiento se conoce como Monocular SLAM. En esta tesis se aborda este problema con cámaras de bajo coste cuyo principal reto consiste en ser robustos al ruido, blurring y otros artefactos que afectan a la imagen. La aproximación al problema es discreta, utilizando solo puntos de la imagen significativos para localizar la cámara y mapear el entorno. La principal contribución es una simplificación del grafo de poses que permite mejorar la precisión en las escenas más habituales, evaluada de forma exhaustiva en 4 datasets. Los resultados del mapeado permiten obtener una reconstrucción 3D de la escena que puede ser utilizada en arquitectura y construcción para Modelar la Información del Edificio (BIM). En la segunda parte de la tesis proponemos incorporar dicha información en un sistema de visualización avanzada usando WebGL que ayude a simplificar la implantación de la metodología BIM.Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos)Doctorado en Informátic

Intelligent Sensors for Human Motion Analysis

The book, "Intelligent Sensors for Human Motion Analysis," contains 17 articles published in the Special Issue of the Sensors journal. These articles deal with many aspects related to the analysis of human movement. New techniques and methods for pose estimation, gait recognition, and fall detection have been proposed and verified. Some of them will trigger further research, and some may become the backbone of commercial systems

Human activity recognition using a wearable camera

Tesi en modalitat cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Queen Mary, University of London. This PhD Thesis has been developed in the framework of, and according to, the rules of the Erasmus Mundus Joint Doctorate on Interactive and Cognitive Environments EMJD ICE [FPA n° 2010-0012]Advances in wearable technologies are facilitating the understanding of human activities using first-person vision (FPV) for a wide range of assistive applications. In this thesis, we propose robust multiple motion features for human activity recognition from first­ person videos. The proposed features encode discriminant characteristics form magnitude, direction and dynamics of motion estimated using optical flow. M:>reover, we design novel virtual-inertial features from video, without using the actual inertial sensor, from the movement of intensity centroid across frames. Results on multiple datasets demonstrate that centroid-based inertial features improve the recognition performance of grid-based features. Moreover, we propose a multi-layer modelling framework that encodes hierarchical and temporal relationships among activities. The first layer operates on groups of features that effectively encode motion dynamics and temporal variaitons of intra-frame appearance descriptors of activities with a hierarchical topology. The second layer exploits the temporal context by weighting the outputs of the hierarchy during modelling. In addition, a post-decoding smoothing technique utilises decisions on past samples based on the confidence of the current sample. We validate the proposed framework with several classi fiers, and the temporal modelling is shown to improve recognition performance. We also investigate the use of deep networks to simplify the feature engineering from first-person videos. We propose a stacking of spectrograms to represent short-term global motions that contains a frequency-time representation of multiplemotion components. This enables us to apply 2D convolutions to extract/learn motion features. We employ long short-term memory recurrent network to encode long-term temporal dependency among activiites. Furthermore, we apply cross-domain knowledge transfer between inertial­ based and vision-based approaches for egocentric activity recognition. We propose sparsity weightedcombination of information from different motion modalities and/or streams . Results show that the proposed approach performs competitively with existing deep frameworks, moreover, with reduced complexity.Los avances en tecnologías wearables facilitan la comprensión de actividades humanas utilizando cuando se usan videos grabados en primera persona para una amplia gama de aplicaciones. En esta tesis, proponemos características robustas de movimiento para el reconocimiento de actividades humana a partir de videos en primera persona. Las características propuestas codifican características discriminativas estimadas a partir de optical flow como magnitud, dirección y dinámica de movimiento. Además, diseñamos nuevas características de inercia virtual a partir de video, sin usar sensores inerciales, utilizando el movimiento del centroide de intensidad a través de los fotogramas. Los resultados obtenidos en múltiples bases de datos demuestran que las características inerciales basadas en centroides mejoran el rendimiento de reconocimiento en comparación con grid-based características. Además, proponemos un algoritmo multicapa que codifica las relaciones jerárquicas y temporales entre actividades. La primera capa opera en grupos de características que codifican eficazmente las dinámicas del movimiento y las variaciones temporales de características de apariencia entre múltiples fotogramas utilizando una jerarquía. La segunda capa aprovecha el contexto temporal ponderando las salidas de la jerarquía durante el modelado. Además, diseñamos una técnica de postprocesado para filtrar las decisiones utilizando estimaciones pasadas y la confianza de la estimación actual. Validamos el algoritmo propuesto utilizando varios clasificadores. El modelado temporal muestra una mejora del rendimiento en el reconocimiento de actividades. También investigamos el uso de redes profundas (deep networks) para simplificar el diseño manual de características a partir de videos en primera persona. Proponemos apilar espectrogramas para representar movimientos globales a corto plazo. Estos espectrogramas contienen una representación espaciotemporal de múltiples componentes de movimiento. Esto nos permite aplicar convoluciones bidimensionales para aprender funciones de movimiento. Empleamos long short-term memory recurrent networks para codificar la dependencia temporal a largo plazo entre las actividades. Además, aplicamos transferencia de conocimiento entre diferentes dominios (cross-domain knowledge) entre enfoques inerciales y basados en la visión para el reconocimiento de la actividad en primera persona. Proponemos una combinación ponderada de información de diferentes modalidades de movimiento y/o secuencias. Los resultados muestran que el algoritmo propuesto obtiene resultados competitivos en comparación con existentes algoritmos basados en deep learning, a la vez que se reduce la complejidad.Postprint (published version

Human activity recognition using a wearable camera

Advances in wearable technologies are facilitating the understanding of human activities using first-person vision (FPV) for a wide range of assistive applications. In this thesis, we propose robust multiple motion features for human activity recognition from first­ person videos. The proposed features encode discriminant characteristics form magnitude, direction and dynamics of motion estimated using optical flow. M:>reover, we design novel virtual-inertial features from video, without using the actual inertial sensor, from the movement of intensity centroid across frames. Results on multiple datasets demonstrate that centroid-based inertial features improve the recognition performance of grid-based features. Moreover, we propose a multi-layer modelling framework that encodes hierarchical and temporal relationships among activities. The first layer operates on groups of features that effectively encode motion dynamics and temporal variaitons of intra-frame appearance descriptors of activities with a hierarchical topology. The second layer exploits the temporal context by weighting the outputs of the hierarchy during modelling. In addition, a post-decoding smoothing technique utilises decisions on past samples based on the confidence of the current sample. We validate the proposed framework with several classi fiers, and the temporal modelling is shown to improve recognition performance. We also investigate the use of deep networks to simplify the feature engineering from first-person videos. We propose a stacking of spectrograms to represent short-term global motions that contains a frequency-time representation of multiplemotion components. This enables us to apply 2D convolutions to extract/learn motion features. We employ long short-term memory recurrent network to encode long-term temporal dependency among activiites. Furthermore, we apply cross-domain knowledge transfer between inertial­ based and vision-based approaches for egocentric activity recognition. We propose sparsity weightedcombination of information from different motion modalities and/or streams . Results show that the proposed approach performs competitively with existing deep frameworks, moreover, with reduced complexity.Los avances en tecnologías wearables facilitan la comprensión de actividades humanas utilizando cuando se usan videos grabados en primera persona para una amplia gama de aplicaciones. En esta tesis, proponemos características robustas de movimiento para el reconocimiento de actividades humana a partir de videos en primera persona. Las características propuestas codifican características discriminativas estimadas a partir de optical flow como magnitud, dirección y dinámica de movimiento. Además, diseñamos nuevas características de inercia virtual a partir de video, sin usar sensores inerciales, utilizando el movimiento del centroide de intensidad a través de los fotogramas. Los resultados obtenidos en múltiples bases de datos demuestran que las características inerciales basadas en centroides mejoran el rendimiento de reconocimiento en comparación con grid-based características. Además, proponemos un algoritmo multicapa que codifica las relaciones jerárquicas y temporales entre actividades. La primera capa opera en grupos de características que codifican eficazmente las dinámicas del movimiento y las variaciones temporales de características de apariencia entre múltiples fotogramas utilizando una jerarquía. La segunda capa aprovecha el contexto temporal ponderando las salidas de la jerarquía durante el modelado. Además, diseñamos una técnica de postprocesado para filtrar las decisiones utilizando estimaciones pasadas y la confianza de la estimación actual. Validamos el algoritmo propuesto utilizando varios clasificadores. El modelado temporal muestra una mejora del rendimiento en el reconocimiento de actividades. También investigamos el uso de redes profundas (deep networks) para simplificar el diseño manual de características a partir de videos en primera persona. Proponemos apilar espectrogramas para representar movimientos globales a corto plazo. Estos espectrogramas contienen una representación espaciotemporal de múltiples componentes de movimiento. Esto nos permite aplicar convoluciones bidimensionales para aprender funciones de movimiento. Empleamos long short-term memory recurrent networks para codificar la dependencia temporal a largo plazo entre las actividades. Además, aplicamos transferencia de conocimiento entre diferentes dominios (cross-domain knowledge) entre enfoques inerciales y basados en la visión para el reconocimiento de la actividad en primera persona. Proponemos una combinación ponderada de información de diferentes modalidades de movimiento y/o secuencias. Los resultados muestran que el algoritmo propuesto obtiene resultados competitivos en comparación con existentes algoritmos basados en deep learning, a la vez que se reduce la complejidad

Human activity recognition using a wearable camera

Advances in wearable technologies are facilitating the understanding of human activities using first-person vision (FPV) for a wide range of assistive applications. In this thesis, we propose robust multiple motion features for human activity recognition from first­ person videos. The proposed features encode discriminant characteristics form magnitude, direction and dynamics of motion estimated using optical flow. M:>reover, we design novel virtual-inertial features from video, without using the actual inertial sensor, from the movement of intensity centroid across frames. Results on multiple datasets demonstrate that centroid-based inertial features improve the recognition performance of grid-based features. Moreover, we propose a multi-layer modelling framework that encodes hierarchical and temporal relationships among activities. The first layer operates on groups of features that effectively encode motion dynamics and temporal variaitons of intra-frame appearance descriptors of activities with a hierarchical topology. The second layer exploits the temporal context by weighting the outputs of the hierarchy during modelling. In addition, a post-decoding smoothing technique utilises decisions on past samples based on the confidence of the current sample. We validate the proposed framework with several classi fiers, and the temporal modelling is shown to improve recognition performance. We also investigate the use of deep networks to simplify the feature engineering from first-person videos. We propose a stacking of spectrograms to represent short-term global motions that contains a frequency-time representation of multiplemotion components. This enables us to apply 2D convolutions to extract/learn motion features. We employ long short-term memory recurrent network to encode long-term temporal dependency among activiites. Furthermore, we apply cross-domain knowledge transfer between inertial­ based and vision-based approaches for egocentric activity recognition. We propose sparsity weightedcombination of information from different motion modalities and/or streams . Results show that the proposed approach performs competitively with existing deep frameworks, moreover, with reduced complexity.Los avances en tecnologías wearables facilitan la comprensión de actividades humanas utilizando cuando se usan videos grabados en primera persona para una amplia gama de aplicaciones. En esta tesis, proponemos características robustas de movimiento para el reconocimiento de actividades humana a partir de videos en primera persona. Las características propuestas codifican características discriminativas estimadas a partir de optical flow como magnitud, dirección y dinámica de movimiento. Además, diseñamos nuevas características de inercia virtual a partir de video, sin usar sensores inerciales, utilizando el movimiento del centroide de intensidad a través de los fotogramas. Los resultados obtenidos en múltiples bases de datos demuestran que las características inerciales basadas en centroides mejoran el rendimiento de reconocimiento en comparación con grid-based características. Además, proponemos un algoritmo multicapa que codifica las relaciones jerárquicas y temporales entre actividades. La primera capa opera en grupos de características que codifican eficazmente las dinámicas del movimiento y las variaciones temporales de características de apariencia entre múltiples fotogramas utilizando una jerarquía. La segunda capa aprovecha el contexto temporal ponderando las salidas de la jerarquía durante el modelado. Además, diseñamos una técnica de postprocesado para filtrar las decisiones utilizando estimaciones pasadas y la confianza de la estimación actual. Validamos el algoritmo propuesto utilizando varios clasificadores. El modelado temporal muestra una mejora del rendimiento en el reconocimiento de actividades. También investigamos el uso de redes profundas (deep networks) para simplificar el diseño manual de características a partir de videos en primera persona. Proponemos apilar espectrogramas para representar movimientos globales a corto plazo. Estos espectrogramas contienen una representación espaciotemporal de múltiples componentes de movimiento. Esto nos permite aplicar convoluciones bidimensionales para aprender funciones de movimiento. Empleamos long short-term memory recurrent networks para codificar la dependencia temporal a largo plazo entre las actividades. Además, aplicamos transferencia de conocimiento entre diferentes dominios (cross-domain knowledge) entre enfoques inerciales y basados en la visión para el reconocimiento de la actividad en primera persona. Proponemos una combinación ponderada de información de diferentes modalidades de movimiento y/o secuencias. Los resultados muestran que el algoritmo propuesto obtiene resultados competitivos en comparación con existentes algoritmos basados en deep learning, a la vez que se reduce la complejidad

On Improving Generalization of CNN-Based Image Classification with Delineation Maps Using the CORF Push-Pull Inhibition Operator

Deployed image classification pipelines are typically dependent on the images captured in real-world environments. This means that images might be affected by different sources of perturbations (e.g. sensor noise in low-light environments). The main challenge arises by the fact that image quality directly impacts the reliability and consistency of classification tasks. This challenge has, hence, attracted wide interest within the computer vision communities. We propose a transformation step that attempts to enhance the generalization ability of CNN models in the presence of unseen noise in the test set. Concretely, the delineation maps of given images are determined using the CORF push-pull inhibition operator. Such an operation transforms an input image into a space that is more robust to noise before being processed by a CNN. We evaluated our approach on the Fashion MNIST data set with an AlexNet model. It turned out that the proposed CORF-augmented pipeline achieved comparable results on noise-free images to those of a conventional AlexNet classification model without CORF delineation maps, but it consistently achieved significantly superior performance on test images perturbed with different levels of Gaussian and uniform noise