3D Robotic Sensing of People: Human Perception, Representation and Activity Recognition

The robots are coming. Their presence will eventually bridge the digital-physical divide and dramatically impact human life by taking over tasks where our current society has shortcomings (e.g., search and rescue, elderly care, and child education). Human-centered robotics (HCR) is a vision to address how robots can coexist with humans and help people live safer, simpler and more independent lives. As humans, we have a remarkable ability to perceive the world around us, perceive people, and interpret their behaviors. Endowing robots with these critical capabilities in highly dynamic human social environments is a significant but very challenging problem in practical human-centered robotics applications. This research focuses on robotic sensing of people, that is, how robots can perceive and represent humans and understand their behaviors, primarily through 3D robotic vision. In this dissertation, I begin with a broad perspective on human-centered robotics by discussing its real-world applications and significant challenges. Then, I will introduce a real-time perception system, based on the concept of Depth of Interest, to detect and track multiple individuals using a color-depth camera that is installed on moving robotic platforms. In addition, I will discuss human representation approaches, based on local spatio-temporal features, including new “CoDe4D” features that incorporate both color and depth information, a new “SOD” descriptor to efficiently quantize 3D visual features, and the novel AdHuC features, which are capable of representing the activities of multiple individuals. Several new algorithms to recognize human activities are also discussed, including the RG-PLSA model, which allows us to discover activity patterns without supervision, the MC-HCRF model, which can explicitly investigate certainty in latent temporal patterns, and the FuzzySR model, which is used to segment continuous data into events and probabilistically recognize human activities. Cognition models based on recognition results are also implemented for decision making that allow robotic systems to react to human activities. Finally, I will conclude with a discussion of future directions that will accelerate the upcoming technological revolution of human-centered robotics

Global and Local Features through Gaussian Mixture Models on Image Semantic Segmentation

The semantic segmentation task aims at dense classification at the pixel-wise level. Deep models exhibited progress in tackling this task. However, one remaining problem with these approaches is the loss of spatial precision, often produced at the segmented objects' boundaries. Our proposed model addresses this problem by providing an internal structure for the feature representations while extracting a global representation that supports the former. To fit the internal structure, during training, we predict a Gaussian Mixture Model from the data, which, merged with the skip connections and the decoding stage, helps avoid wrong inductive biases. Furthermore, our results show that we can improve semantic segmentation by providing both learning representations (global and local) with a clustering behavior and combining them. Finally, we present results demonstrating our advances in Cityscapes and Synthia datasets.Comment: Pre-print to appear in IEEE Access. Code available at https://gitlab.com/mipl/phgm

Auto-Encoding Variational Bayes

In this thesis, we focused on recent developments in variational inference. We saw how these methods can be married with ideas from deep learning to give life to the example of variational autoencoders (VAEs), models that learn how to generate new realistic-looking data. Along the way, we provided parallels with other statistical methods.In this thesis, we focused on recent developments in variational inference. We saw how these methods can be married with ideas from deep learning to give life to the example of variational autoencoders (VAEs), models that learn how to generate new realistic-looking data. Along the way, we provided parallels with other statistical methods

Discovery of Visual Semantics by Unsupervised and Self-Supervised Representation Learning

The success of deep learning in computer vision is rooted in the ability of deep networks to scale up model complexity as demanded by challenging visual tasks. As complexity is increased, so is the need for large amounts of labeled data to train the model. This is associated with a costly human annotation effort. To address this concern, with the long-term goal of leveraging the abundance of cheap unlabeled data, we explore methods of unsupervised "pre-training." In particular, we propose to use self-supervised automatic image colorization. We show that traditional methods for unsupervised learning, such as layer-wise clustering or autoencoders, remain inferior to supervised pre-training. In search for an alternative, we develop a fully automatic image colorization method. Our method sets a new state-of-the-art in revitalizing old black-and-white photography, without requiring human effort or expertise. Additionally, it gives us a method for self-supervised representation learning. In order for the model to appropriately re-color a grayscale object, it must first be able to identify it. This ability, learned entirely self-supervised, can be used to improve other visual tasks, such as classification and semantic segmentation. As a future direction for self-supervision, we investigate if multiple proxy tasks can be combined to improve generalization. This turns out to be a challenging open problem. We hope that our contributions to this endeavor will provide a foundation for future efforts in making self-supervision compete with supervised pre-training.Comment: Ph.D. thesi

Efficient Dense Registration, Segmentation, and Modeling Methods for RGB-D Environment Perception

One perspective for artificial intelligence research is to build machines that perform tasks autonomously in our complex everyday environments. This setting poses challenges to the development of perception skills: A robot should be able to perceive its location and objects in its surrounding, while the objects and the robot itself could also be moving. Objects may not only be composed of rigid parts, but could be non-rigidly deformable or appear in a variety of similar shapes. Furthermore, it could be relevant to the task to observe object semantics. For a robot acting fluently and immediately, these perception challenges demand efficient methods. This theses presents novel approaches to robot perception with RGB-D sensors. It develops efficient registration, segmentation, and modeling methods for scene and object perception. We propose multi-resolution surfel maps as a concise representation for RGB-D measurements. We develop probabilistic registration methods that handle rigid scenes, scenes with multiple rigid parts that move differently, and scenes that undergo non-rigid deformations. We use these methods to learn and perceive 3D models of scenes and objects in both static and dynamic environments. For learning models of static scenes, we propose a real-time capable simultaneous localization and mapping approach. It aligns key views in RGB-D video using our rigid registration method and optimizes the pose graph of the key views. The acquired models are then perceived in live images through detection and tracking within a Bayesian filtering framework. An assumption frequently made for environment mapping is that the observed scene remains static during the mapping process. Through rigid multi-body registration, we take advantage of releasing this assumption: Our registration method segments views into parts that move independently between the views and simultaneously estimates their motion. Within simultaneous motion segmentation, localization, and mapping, we separate scenes into objects by their motion. Our approach acquires 3D models of objects and concurrently infers hierarchical part relations between them using probabilistic reasoning. It can be applied for interactive learning of objects and their part decomposition. Endowing robots with manipulation skills for a large variety of objects is a tedious endeavor if the skill is programmed for every instance of an object class. Furthermore, slight deformations of an instance could not be handled by an inflexible program. Deformable registration is useful to perceive such shape variations, e.g., between specific instances of a tool. We develop an efficient deformable registration method and apply it for the transfer of robot manipulation skills between varying object instances. On the object-class level, we segment images using random decision forest classifiers in real-time. The probabilistic labelings of individual images are fused in 3D semantic maps within a Bayesian framework. We combine our object-class segmentation method with simultaneous localization and mapping to achieve online semantic mapping in real-time. The methods developed in this thesis are evaluated in experiments on publicly available benchmark datasets and novel own datasets. We publicly demonstrate several of our perception approaches within integrated robot systems in the mobile manipulation context.Effiziente Dichte Registrierungs-, Segmentierungs- und Modellierungsmethoden für die RGB-D Umgebungswahrnehmung In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Herausforderungen der visuellen Wahrnehmung für intelligente Roboter in Alltagsumgebungen. Solche Roboter sollen sich selbst in ihrer Umgebung zurechtfinden, und Wissen über den Verbleib von Objekten erwerben können. Die Schwierigkeit dieser Aufgaben erhöht sich in dynamischen Umgebungen, in denen ein Roboter die Bewegung einzelner Teile differenzieren und auch wahrnehmen muss, wie sich diese Teile bewegen. Bewegt sich ein Roboter selbständig in dieser Umgebung, muss er auch seine eigene Bewegung von der Veränderung der Umgebung unterscheiden. Szenen können sich aber nicht nur durch die Bewegung starrer Teile verändern. Auch die Teile selbst können ihre Form in nicht-rigider Weise ändern. Eine weitere Herausforderung stellt die semantische Interpretation von Szenengeometrie und -aussehen dar. Damit intelligente Roboter unmittelbar und flüssig handeln können, sind effiziente Algorithmen für diese Wahrnehmungsprobleme erforderlich. Im ersten Teil dieser Arbeit entwickeln wir effiziente Methoden zur Repräsentation und Registrierung von RGB-D Messungen. Zunächst stellen wir Multi-Resolutions-Oberflächenelement-Karten (engl. multi-resolution surfel maps, MRSMaps) als eine kompakte Repräsentation von RGB-D Messungen vor, die unseren effizienten Registrierungsmethoden zugrunde liegt. Bilder können effizient in dieser Repräsentation aggregiert werde, wobei auch mehrere Bilder aus verschiedenen Blickpunkten integriert werden können, um Modelle von Szenen und Objekte aus vielfältigen Ansichten darzustellen. Für die effiziente, robuste und genaue Registrierung von MRSMaps wird eine Methode vorgestellt, die Rigidheit der betrachteten Szene voraussetzt. Die Registrierung schätzt die Kamerabewegung zwischen den Bildern und gewinnt ihre Effizienz durch die Ausnutzung der kompakten multi-resolutionalen Darstellung der Karten. Die Registrierungsmethode erzielt hohe Bildverarbeitungsraten auf einer CPU. Wir demonstrieren hohe Effizienz, Genauigkeit und Robustheit unserer Methode im Vergleich zum bisherigen Stand der Forschung auf Vergleichsdatensätzen. In einem weiteren Registrierungsansatz lösen wir uns von der Annahme, dass die betrachtete Szene zwischen Bildern statisch ist. Wir erlauben nun, dass sich rigide Teile der Szene bewegen dürfen, und erweitern unser rigides Registrierungsverfahren auf diesen Fall. Unser Ansatz segmentiert das Bild in Bereiche einzelner Teile, die sich unterschiedlich zwischen Bildern bewegen. Wir demonstrieren hohe Segmentierungsgenauigkeit und Genauigkeit in der Bewegungsschätzung unter Echtzeitbedingungen für die Verarbeitung. Schließlich entwickeln wir ein Verfahren für die Wahrnehmung von nicht-rigiden Deformationen zwischen zwei MRSMaps. Auch hier nutzen wir die multi-resolutionale Struktur in den Karten für ein effizientes Registrieren von grob zu fein. Wir schlagen Methoden vor, um aus den geschätzten Deformationen die lokale Bewegung zwischen den Bildern zu berechnen. Wir evaluieren Genauigkeit und Effizienz des Registrierungsverfahrens. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Verwendung unserer Kartenrepräsentation und Registrierungsmethoden für die Wahrnehmung von Szenen und Objekten. Wir verwenden MRSMaps und unsere rigide Registrierungsmethode, um dichte 3D Modelle von Szenen und Objekten zu lernen. Die räumlichen Beziehungen zwischen Schlüsselansichten, die wir durch Registrierung schätzen, werden in einem Simultanen Lokalisierungs- und Kartierungsverfahren (engl. simultaneous localization and mapping, SLAM) gegeneinander abgewogen, um die Blickposen der Schlüsselansichten zu schätzen. Für das Verfolgen der Kamerapose bezüglich der Modelle in Echtzeit, kombinieren wir die Genauigkeit unserer Registrierung mit der Robustheit von Partikelfiltern. Zu Beginn der Posenverfolgung, oder wenn das Objekt aufgrund von Verdeckungen oder extremen Bewegungen nicht weiter verfolgt werden konnte, initialisieren wir das Filter durch Objektdetektion. Anschließend wenden wir unsere erweiterten Registrierungsverfahren für die Wahrnehmung in nicht-rigiden Szenen und für die Übertragung von Objekthandhabungsfähigkeiten von Robotern an. Wir erweitern unseren rigiden Kartierungsansatz auf dynamische Szenen, in denen sich rigide Teile bewegen. Die Bewegungssegmente in Schlüsselansichten werden zueinander in Bezug gesetzt, um Äquivalenz- und Teilebeziehungen von Objekten probabilistisch zu inferieren, denen die Segmente entsprechen. Auch hier liefert unsere Registrierungsmethode die Bewegung der Kamera bezüglich der Objekte, die wir in einem SLAM Verfahren optimieren. Aus diesen Blickposen wiederum können wir die Bewegungssegmente in dichten Objektmodellen vereinen. Objekte einer Klasse teilen oft eine gemeinsame Topologie von funktionalen Elementen, die durch Formkorrespondenzen ermittelt werden kann. Wir verwenden unsere deformierbare Registrierung, um solche Korrespondenzen zu finden und die Handhabung eines Objektes durch einen Roboter auf neue Objektinstanzen derselben Klasse zu übertragen. Schließlich entwickeln wir einen echtzeitfähigen Ansatz, der Kategorien von Objekten in RGB-D Bildern erkennt und segmentiert. Die Segmentierung basiert auf Ensemblen randomisierter Entscheidungsbäume, die Geometrie- und Texturmerkmale zur Klassifikation verwenden. Wir fusionieren Segmentierungen von Einzelbildern einer Szene aus mehreren Ansichten in einer semantischen Objektklassenkarte mit Hilfe unseres SLAM-Verfahrens. Die vorgestellten Methoden werden auf öffentlich verfügbaren Vergleichsdatensätzen und eigenen Datensätzen evaluiert. Einige unserer Ansätze wurden auch in integrierten Robotersystemen für mobile Objekthantierungsaufgaben öffentlich demonstriert. Sie waren ein wichtiger Bestandteil für das Gewinnen der RoboCup-Roboterwettbewerbe in der RoboCup@Home Liga in den Jahren 2011, 2012 und 2013