Semantic Attributes for Transfer Learning in Visual Recognition

Angetrieben durch den Erfolg von Deep Learning Verfahren wurden in Bezug auf künstliche Intelligenz erhebliche Fortschritte im Bereich des Maschinenverstehens gemacht. Allerdings sind Tausende von manuell annotierten Trainingsdaten zwingend notwendig, um die Generalisierungsfähigkeit solcher Modelle sicherzustellen. Darüber hinaus muss das Modell jedes Mal komplett neu trainiert werden, sobald es auf eine neue Problemklasse angewandt werden muss. Dies führt wiederum dazu, dass der sehr kostenintensive Prozess des Sammelns und Annotierens von Trainingsdaten wiederholt werden muss, wodurch die Skalierbarkeit solcher Modelle erheblich begrenzt wird. Auf der anderen Seite bearbeiten wir Menschen neue Aufgaben nicht isoliert, sondern haben die bemerkenswerte Fähigkeit, auf bereits erworbenes Wissen bei der Lösung neuer Probleme zurückzugreifen. Diese Fähigkeit wird als Transfer-Learning bezeichnet. Sie ermöglicht es uns, schneller, besser und anhand nur sehr weniger Beispiele Neues zu lernen. Daher besteht ein großes Interesse, diese Fähigkeit durch Algorithmen nachzuahmen, insbesondere in Bereichen, in denen Trainingsdaten sehr knapp oder sogar nicht verfügbar sind. In dieser Arbeit untersuchen wir Transfer-Learning im Kontext von Computer Vision. Insbesondere untersuchen wir, wie visuelle Erkennung (z.B. Objekt- oder Aktionsklassifizierung) durchgeführt werden kann, wenn nur wenige oder keine Trainingsbeispiele existieren. Eine vielversprechende Lösung in dieser Richtung ist das Framework der semantischen Attribute. Dabei werden visuelle Kategorien in Form von Attributen wie Farbe, Muster und Form beschrieben. Diese Attribute können aus einer disjunkten Menge von Trainingsbeispielen gelernt werden. Da die Attribute eine doppelte, d.h. sowohl visuelle als auch semantische, Interpretation haben, kann Sprache effektiv genutzt werden, um den Übertragungsprozess zu steuern. Dies bedeutet, dass Modelle für eine neue visuelle Kategorie nur anhand der sprachlichen Beschreibung erstellt werden können, indem relevante Attribute selektiert und auf die neue Kategorie übertragen werden. Die Notwendigkeit von Trainingsbildern entfällt durch diesen Prozess jedoch vollständig. In dieser Arbeit stellen wir neue Lösungen vor, semantische Attribute zu modellieren, zu übertragen, automatisch mit visuellen Kategorien zu assoziieren, und aus sprachlichen Beschreibungen zu erkennen. Zu diesem Zweck beleuchten wir die attributbasierte Erkennung aus den folgenden vier Blickpunkten: 1) Anders als das gängige Modell, bei dem Attribute global gelernt werden müssen, stellen wir einen hierarchischen Ansatz vor, der es ermöglicht, die Attribute auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu lernen. Wir zeigen zudem, wie die Struktur zwischen den Kategorien effektiv genutzt werden kann, um den Lern- und Transferprozess zu steuern und damit diskriminative Modelle für neue Kategorien zu erstellen. Mit einer gründlichen experimentellen Analyse demonstrieren wir eine deutliche Verbesserung unseres Modells gegenüber dem globalen Ansatz, insbesondere bei der Erkennung detailgenauer Kategorien. 2) In vorherrschend attributbasierten Transferansätzen überwacht der Benutzer die Zuordnung zwischen den Attributen und den Kategorien. Wir schlagen in dieser Arbeit vor, die Verbindung zwischen den beiden automatisch und ohne Benutzereingriff herzustellen. Unser Modell erfasst die semantischen Beziehungen, welche die Attribute mit Objekten koppeln, um ihre Assoziationen vorherzusagen und unüberwacht auszuwählen welche Attribute übertragen werden sollen. 3) Wir umgehen die Notwendigkeit eines vordefinierten Vokabulars von Attributen. Statt dessen schlagen wir vor, Enyzklopädie-Artikel zu verwenden, die Objektkategorien in einem freien Text beschreiben, um automatisch eine Menge von diskriminanten, salienten und vielfältigen Attributen zu entdecken. Diese Beseitigung des Bedarfs eines benutzerdefinierten Vokabulars ermöglicht es uns, das Potenzial attributbasierter Modelle im Kontext sehr großer Datenmengen vollends auszuschöpfen. 4) Wir präsentieren eine neuartige Anwendung semantischer Attribute in der realen Welt. Wir schlagen das erste Verfahren vor, welches automatisch Modestile lernt, und vorhersagt, wie sich ihre Beliebtheit in naher Zukunft entwickeln wird. Wir zeigen, dass semantische Attribute interpretierbare Modestile liefern und zu einer besseren Vorhersage der Beliebtheit von visuellen Stilen im Vergleich zu anderen Darstellungen führen

Human-robot interaction and computer-vision-based services for autonomous robots

L'Aprenentatge per Imitació (IL), o Programació de robots per Demostració (PbD), abasta mètodes pels quals un robot aprèn noves habilitats a través de l'orientació humana i la imitació. La PbD s'inspira en la forma en què els éssers humans aprenen noves habilitats per imitació amb la finalitat de desenvolupar mètodes pels quals les noves tasques es poden transferir als robots. Aquesta tesi està motivada per la pregunta genèrica de "què imitar?", Que es refereix al problema de com extreure les característiques essencials d'una tasca. Amb aquesta finalitat, aquí adoptem la perspectiva del Reconeixement d'Accions (AR) per tal de permetre que el robot decideixi el què cal imitar o inferir en interactuar amb un ésser humà. L'enfoc proposat es basa en un mètode ben conegut que prové del processament del llenguatge natural: és a dir, la bossa de paraules (BoW). Aquest mètode s'aplica a grans bases de dades per tal d'obtenir un model entrenat. Encara que BoW és una tècnica d'aprenentatge de màquines que s'utilitza en diversos camps de la investigació, en la classificació d'accions per a l'aprenentatge en robots està lluny de ser acurada. D'altra banda, se centra en la classificació d'objectes i gestos en lloc d'accions. Per tant, en aquesta tesi es demostra que el mètode és adequat, en escenaris de classificació d'accions, per a la fusió d'informació de diferents fonts o de diferents assajos. Aquesta tesi fa tres contribucions: (1) es proposa un mètode general per fer front al reconeixement d'accions i per tant contribuir a l'aprenentatge per imitació; (2) la metodologia pot aplicar-se a grans bases de dades, que inclouen diferents modes de captura de les accions; i (3) el mètode s'aplica específicament en un projecte internacional d'innovació real anomenat Vinbot.El Aprendizaje por Imitación (IL), o Programación de robots por Demostración (PbD), abarca métodos por los cuales un robot aprende nuevas habilidades a través de la orientación humana y la imitación. La PbD se inspira en la forma en que los seres humanos aprenden nuevas habilidades por imitación con el fin de desarrollar métodos por los cuales las nuevas tareas se pueden transferir a los robots. Esta tesis está motivada por la pregunta genérica de "qué imitar?", que se refiere al problema de cómo extraer las características esenciales de una tarea. Con este fin, aquí adoptamos la perspectiva del Reconocimiento de Acciones (AR) con el fin de permitir que el robot decida lo que hay que imitar o inferir al interactuar con un ser humano. El enfoque propuesto se basa en un método bien conocido que proviene del procesamiento del lenguaje natural: es decir, la bolsa de palabras (BoW). Este método se aplica a grandes bases de datos con el fin de obtener un modelo entrenado. Aunque BoW es una técnica de aprendizaje de máquinas que se utiliza en diversos campos de la investigación, en la clasificación de acciones para el aprendizaje en robots está lejos de ser acurada. Además, se centra en la clasificación de objetos y gestos en lugar de acciones. Por lo tanto, en esta tesis se demuestra que el método es adecuado, en escenarios de clasificación de acciones, para la fusión de información de diferentes fuentes o de diferentes ensayos. Esta tesis hace tres contribuciones: (1) se propone un método general para hacer frente al reconocimiento de acciones y por lo tanto contribuir al aprendizaje por imitación; (2) la metodología puede aplicarse a grandes bases de datos, que incluyen diferentes modos de captura de las acciones; y (3) el método se aplica específicamente en un proyecto internacional de innovación real llamado Vinbot.Imitation Learning (IL), or robot Programming by Demonstration (PbD), covers methods by which a robot learns new skills through human guidance and imitation. PbD takes its inspiration from the way humans learn new skills by imitation in order to develop methods by which new tasks can be transmitted to robots. This thesis is motivated by the generic question of “what to imitate?” which concerns the problem of how to extract the essential features of a task. To this end, here we adopt Action Recognition (AR) perspective in order to allow the robot to decide what has to be imitated or inferred when interacting with a human kind. The proposed approach is based on a well-known method from natural language processing: namely, Bag of Words (BoW). This method is applied to large databases in order to obtain a trained model. Although BoW is a machine learning technique that is used in various fields of research, in action classification for robot learning it is far from accurate. Moreover, it focuses on the classification of objects and gestures rather than actions. Thus, in this thesis we show that the method is suitable in action classification scenarios for merging information from different sources or different trials. This thesis makes three contributions: (1) it proposes a general method for dealing with action recognition and thus to contribute to imitation learning; (2) the methodology can be applied to large databases which include different modes of action captures; and (3) the method is applied specifically in a real international innovation project called Vinbot

SEGMENTATION, RECOGNITION, AND ALIGNMENT OF COLLABORATIVE GROUP MOTION

Modeling and recognition of human motion in videos has broad applications in behavioral biometrics, content-based visual data analysis, security and surveillance, as well as designing interactive environments. Significant progress has been made in the past two decades by way of new models, methods, and implementations. In this dissertation, we focus our attention on a relatively less investigated sub-area called collaborative group motion analysis. Collaborative group motions are those that typically involve multiple objects, wherein the motion patterns of individual objects may vary significantly in both space and time, but the collective motion pattern of the ensemble allows characterization in terms of geometry and statistics. Therefore, the motions or activities of an individual object constitute local information. A framework to synthesize all local information into a holistic view, and to explicitly characterize interactions among objects, involves large scale global reasoning, and is of significant complexity. In this dissertation, we first review relevant previous contributions on human motion/activity modeling and recognition, and then propose several approaches to answer a sequence of traditional vision questions including 1) which of the motion elements among all are the ones relevant to a group motion pattern of interest (Segmentation); 2) what is the underlying motion pattern (Recognition); and 3) how two motion ensembles are similar and how we can 'optimally' transform one to match the other (Alignment). Our primary practical scenario is American football play, where the corresponding problems are 1) who are offensive players; 2) what are the offensive strategy they are using; and 3) whether two plays are using the same strategy and how we can remove the spatio-temporal misalignment between them due to internal or external factors. The proposed approaches discard traditional modeling paradigm but explore either concise descriptors, hierarchies, stochastic mechanism, or compact generative model to achieve both effectiveness and efficiency. In particular, the intrinsic geometry of the spaces of the involved features/descriptors/quantities is exploited and statistical tools are established on these nonlinear manifolds. These initial attempts have identified new challenging problems in complex motion analysis, as well as in more general tasks in video dynamics. The insights gained from nonlinear geometric modeling and analysis in this dissertation may hopefully be useful toward a broader class of computer vision applications

Gesture in Automatic Discourse Processing

Computers cannot fully understand spoken language without access to the wide range of modalities that accompany speech. This thesis addresses the particularly expressive modality of hand gesture, and focuses on building structured statistical models at the intersection of speech, vision, and meaning.My approach is distinguished in two key respects. First, gestural patterns are leveraged to discover parallel structures in the meaning of the associated speech. This differs from prior work that attempted to interpret individual gestures directly, an approach that was prone to a lack of generality across speakers. Second, I present novel, structured statistical models for multimodal language processing, which enable learning about gesture in its linguistic context, rather than in the abstract.These ideas find successful application in a variety of language processing tasks: resolving ambiguous noun phrases, segmenting speech into topics, and producing keyframe summaries of spoken language. In all three cases, the addition of gestural features -- extracted automatically from video -- yields significantly improved performance over a state-of-the-art text-only alternative. This marks the first demonstration that hand gesture improves automatic discourse processing

Feature based dynamic intra-video indexing

A thesis submitted in partial fulfillment for the degree of Doctor of PhilosophyWith the advent of digital imagery and its wide spread application in all vistas of life, it has become an important component in the world of communication. Video content ranging from broadcast news, sports, personal videos, surveillance, movies and entertainment and similar domains is increasing exponentially in quantity and it is becoming a challenge to retrieve content of interest from the corpora. This has led to an increased interest amongst the researchers to investigate concepts of video structure analysis, feature extraction, content annotation, tagging, video indexing, querying and retrieval to fulfil the requirements. However, most of the previous work is confined within specific domain and constrained by the quality, processing and storage capabilities. This thesis presents a novel framework agglomerating the established approaches from feature extraction to browsing in one system of content based video retrieval. The proposed framework significantly fills the gap identified while satisfying the imposed constraints of processing, storage, quality and retrieval times. The output entails a framework, methodology and prototype application to allow the user to efficiently and effectively retrieved content of interest such as age, gender and activity by specifying the relevant query. Experiments have shown plausible results with an average precision and recall of 0.91 and 0.92 respectively for face detection using Haar wavelets based approach. Precision of age ranges from 0.82 to 0.91 and recall from 0.78 to 0.84. The recognition of gender gives better precision with males (0.89) compared to females while recall gives a higher value with females (0.92). Activity of the subject has been detected using Hough transform and classified using Hiddell Markov Model. A comprehensive dataset to support similar studies has also been developed as part of the research process. A Graphical User Interface (GUI) providing a friendly and intuitive interface has been integrated into the developed system to facilitate the retrieval process. The comparison results of the intraclass correlation coefficient (ICC) shows that the performance of the system closely resembles with that of the human annotator. The performance has been optimised for time and error rate