QUIS-CAMPI: Biometric Recognition in Surveillance Scenarios

The concerns about individuals security have justified the increasing number of surveillance cameras deployed both in private and public spaces. However, contrary to popular belief, these devices are in most cases used solely for recording, instead of feeding intelligent analysis processes capable of extracting information about the observed individuals. Thus, even though video surveillance has already proved to be essential for solving multiple crimes, obtaining relevant details about the subjects that took part in a crime depends on the manual inspection of recordings. As such, the current goal of the research community is the development of automated surveillance systems capable of monitoring and identifying subjects in surveillance scenarios. Accordingly, the main goal of this thesis is to improve the performance of biometric recognition algorithms in data acquired from surveillance scenarios. In particular, we aim at designing a visual surveillance system capable of acquiring biometric data at a distance (e.g., face, iris or gait) without requiring human intervention in the process, as well as devising biometric recognition methods robust to the degradation factors resulting from the unconstrained acquisition process. Regarding the first goal, the analysis of the data acquired by typical surveillance systems shows that large acquisition distances significantly decrease the resolution of biometric samples, and thus their discriminability is not sufficient for recognition purposes. In the literature, diverse works point out Pan Tilt Zoom (PTZ) cameras as the most practical way for acquiring high-resolution imagery at a distance, particularly when using a master-slave configuration. In the master-slave configuration, the video acquired by a typical surveillance camera is analyzed for obtaining regions of interest (e.g., car, person) and these regions are subsequently imaged at high-resolution by the PTZ camera. Several methods have already shown that this configuration can be used for acquiring biometric data at a distance. Nevertheless, these methods failed at providing effective solutions to the typical challenges of this strategy, restraining its use in surveillance scenarios. Accordingly, this thesis proposes two methods to support the development of a biometric data acquisition system based on the cooperation of a PTZ camera with a typical surveillance camera. The first proposal is a camera calibration method capable of accurately mapping the coordinates of the master camera to the pan/tilt angles of the PTZ camera. The second proposal is a camera scheduling method for determining - in real-time - the sequence of acquisitions that maximizes the number of different targets obtained, while minimizing the cumulative transition time. In order to achieve the first goal of this thesis, both methods were combined with state-of-the-art approaches of the human monitoring field to develop a fully automated surveillance capable of acquiring biometric data at a distance and without human cooperation, designated as QUIS-CAMPI system. The QUIS-CAMPI system is the basis for pursuing the second goal of this thesis. The analysis of the performance of the state-of-the-art biometric recognition approaches shows that these approaches attain almost ideal recognition rates in unconstrained data. However, this performance is incongruous with the recognition rates observed in surveillance scenarios. Taking into account the drawbacks of current biometric datasets, this thesis introduces a novel dataset comprising biometric samples (face images and gait videos) acquired by the QUIS-CAMPI system at a distance ranging from 5 to 40 meters and without human intervention in the acquisition process. This set allows to objectively assess the performance of state-of-the-art biometric recognition methods in data that truly encompass the covariates of surveillance scenarios. As such, this set was exploited for promoting the first international challenge on biometric recognition in the wild. This thesis describes the evaluation protocols adopted, along with the results obtained by the nine methods specially designed for this competition. In addition, the data acquired by the QUIS-CAMPI system were crucial for accomplishing the second goal of this thesis, i.e., the development of methods robust to the covariates of surveillance scenarios. The first proposal regards a method for detecting corrupted features in biometric signatures inferred by a redundancy analysis algorithm. The second proposal is a caricature-based face recognition approach capable of enhancing the recognition performance by automatically generating a caricature from a 2D photo. The experimental evaluation of these methods shows that both approaches contribute to improve the recognition performance in unconstrained data.A crescente preocupação com a segurança dos indivíduos tem justificado o crescimento do número de câmaras de vídeo-vigilância instaladas tanto em espaços privados como públicos. Contudo, ao contrário do que normalmente se pensa, estes dispositivos são, na maior parte dos casos, usados apenas para gravação, não estando ligados a nenhum tipo de software inteligente capaz de inferir em tempo real informações sobre os indivíduos observados. Assim, apesar de a vídeo-vigilância ter provado ser essencial na resolução de diversos crimes, o seu uso está ainda confinado à disponibilização de vídeos que têm que ser manualmente inspecionados para extrair informações relevantes dos sujeitos envolvidos no crime. Como tal, atualmente, o principal desafio da comunidade científica é o desenvolvimento de sistemas automatizados capazes de monitorizar e identificar indivíduos em ambientes de vídeo-vigilância. Esta tese tem como principal objetivo estender a aplicabilidade dos sistemas de reconhecimento biométrico aos ambientes de vídeo-vigilância. De forma mais especifica, pretende-se 1) conceber um sistema de vídeo-vigilância que consiga adquirir dados biométricos a longas distâncias (e.g., imagens da cara, íris, ou vídeos do tipo de passo) sem requerer a cooperação dos indivíduos no processo; e 2) desenvolver métodos de reconhecimento biométrico robustos aos fatores de degradação inerentes aos dados adquiridos por este tipo de sistemas. No que diz respeito ao primeiro objetivo, a análise aos dados adquiridos pelos sistemas típicos de vídeo-vigilância mostra que, devido à distância de captura, os traços biométricos amostrados não são suficientemente discriminativos para garantir taxas de reconhecimento aceitáveis. Na literatura, vários trabalhos advogam o uso de câmaras Pan Tilt Zoom (PTZ) para adquirir imagens de alta resolução à distância, principalmente o uso destes dispositivos no modo masterslave. Na configuração master-slave um módulo de análise inteligente seleciona zonas de interesse (e.g. carros, pessoas) a partir do vídeo adquirido por uma câmara de vídeo-vigilância e a câmara PTZ é orientada para adquirir em alta resolução as regiões de interesse. Diversos métodos já mostraram que esta configuração pode ser usada para adquirir dados biométricos à distância, ainda assim estes não foram capazes de solucionar alguns problemas relacionados com esta estratégia, impedindo assim o seu uso em ambientes de vídeo-vigilância. Deste modo, esta tese propõe dois métodos para permitir a aquisição de dados biométricos em ambientes de vídeo-vigilância usando uma câmara PTZ assistida por uma câmara típica de vídeo-vigilância. O primeiro é um método de calibração capaz de mapear de forma exata as coordenadas da câmara master para o ângulo da câmara PTZ (slave) sem o auxílio de outros dispositivos óticos. O segundo método determina a ordem pela qual um conjunto de sujeitos vai ser observado pela câmara PTZ. O método proposto consegue determinar em tempo-real a sequência de observações que maximiza o número de diferentes sujeitos observados e simultaneamente minimiza o tempo total de transição entre sujeitos. De modo a atingir o primeiro objetivo desta tese, os dois métodos propostos foram combinados com os avanços alcançados na área da monitorização de humanos para assim desenvolver o primeiro sistema de vídeo-vigilância completamente automatizado e capaz de adquirir dados biométricos a longas distâncias sem requerer a cooperação dos indivíduos no processo, designado por sistema QUIS-CAMPI. O sistema QUIS-CAMPI representa o ponto de partida para iniciar a investigação relacionada com o segundo objetivo desta tese. A análise do desempenho dos métodos de reconhecimento biométrico do estado-da-arte mostra que estes conseguem obter taxas de reconhecimento quase perfeitas em dados adquiridos sem restrições (e.g., taxas de reconhecimento maiores do que 99% no conjunto de dados LFW). Contudo, este desempenho não é corroborado pelos resultados observados em ambientes de vídeo-vigilância, o que sugere que os conjuntos de dados atuais não contêm verdadeiramente os fatores de degradação típicos dos ambientes de vídeo-vigilância. Tendo em conta as vulnerabilidades dos conjuntos de dados biométricos atuais, esta tese introduz um novo conjunto de dados biométricos (imagens da face e vídeos do tipo de passo) adquiridos pelo sistema QUIS-CAMPI a uma distância máxima de 40m e sem a cooperação dos sujeitos no processo de aquisição. Este conjunto permite avaliar de forma objetiva o desempenho dos métodos do estado-da-arte no reconhecimento de indivíduos em imagens/vídeos capturados num ambiente real de vídeo-vigilância. Como tal, este conjunto foi utilizado para promover a primeira competição de reconhecimento biométrico em ambientes não controlados. Esta tese descreve os protocolos de avaliação usados, assim como os resultados obtidos por 9 métodos especialmente desenhados para esta competição. Para além disso, os dados adquiridos pelo sistema QUIS-CAMPI foram essenciais para o desenvolvimento de dois métodos para aumentar a robustez aos fatores de degradação observados em ambientes de vídeo-vigilância. O primeiro é um método para detetar características corruptas em assinaturas biométricas através da análise da redundância entre subconjuntos de características. O segundo é um método de reconhecimento facial baseado em caricaturas automaticamente geradas a partir de uma única foto do sujeito. As experiências realizadas mostram que ambos os métodos conseguem reduzir as taxas de erro em dados adquiridos de forma não controlada

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multi-camera systems are being deployed in a variety of vehicles and mobile robots today. To eliminate the need for cost and labor intensive maintenance and calibration, continuous self-calibration is highly desirable. In this book we present such an approach for self-calibration of multi-Camera systems for vehicle surround sensing. In an extensive evaluation we assess our algorithm quantitatively using real-world data

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multikamerasysteme werden heute bereits in einer Vielzahl von Fahrzeugen und mobilen Robotern eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von einfachen Assistenzfunktionen wie der Erzeugung einer virtuellen Rundumsicht bis hin zur Umfelderfassung, wie sie für teil- und vollautomatisches Fahren benötigt wird. Damit aus den Kamerabildern metrische Größen wie Distanzen und Winkel abgeleitet werden können und ein konsistentes Umfeldmodell aufgebaut werden kann, muss das Abbildungsverhalten der einzelnen Kameras sowie deren relative Lage zueinander bekannt sein. Insbesondere die Bestimmung der relativen Lage der Kameras zueinander, die durch die extrinsische Kalibrierung beschrieben wird, ist aufwendig, da sie nur im Gesamtverbund erfolgen kann. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass es über die Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg zu nicht vernachlässigbaren Veränderungen durch äußere Einflüsse kommt. Um den hohen Zeit- und Kostenaufwand einer regelmäßigen Wartung zu vermeiden, ist ein Selbstkalibrierungsverfahren erforderlich, das die extrinsischen Kalibrierparameter fortlaufend nachschätzt. Für die Selbstkalibrierung wird typischerweise das Vorhandensein überlappender Sichtbereiche ausgenutzt, um die extrinsische Kalibrierung auf der Basis von Bildkorrespondenzen zu schätzen. Falls die Sichtbereiche mehrerer Kameras jedoch nicht überlappen, lassen sich die Kalibrierparameter auch aus den relativen Bewegungen ableiten, die die einzelnen Kameras beobachten. Die Bewegung typischer Straßenfahrzeuge lässt dabei jedoch nicht die Bestimmung aller Kalibrierparameter zu. Um die vollständige Schätzung der Parameter zu ermöglichen, lassen sich weitere Bedingungsgleichungen, die sich z.B. aus der Beobachtung der Bodenebene ergeben, einbinden. In dieser Arbeit wird dazu in einer theoretischen Analyse gezeigt, welche Parameter sich aus der Kombination verschiedener Bedingungsgleichungen eindeutig bestimmen lassen. Um das Umfeld eines Fahrzeugs vollständig erfassen zu können, werden typischerweise Objektive, wie zum Beispiel Fischaugenobjektive, eingesetzt, die einen sehr großen Bildwinkel ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung von Bildkorrespondenzen vorgeschlagen, das die geometrischen Verzerrungen, die sich durch die Verwendung von Fischaugenobjektiven und sich stark ändernden Ansichten ergeben, berücksichtigt. Darauf aufbauend stellen wir ein robustes Verfahren zur Nachführung der Parameter der Bodenebene vor. Basierend auf der theoretischen Analyse der Beobachtbarkeit und den vorgestellten Verfahren stellen wir ein robustes, rekursives Kalibrierverfahren vor, das auf einem erweiterten Kalman-Filter aufbaut. Das vorgestellte Kalibrierverfahren zeichnet sich insbesondere durch die geringe Anzahl von internen Parametern, sowie durch die hohe Flexibilität hinsichtlich der einbezogenen Bedingungsgleichungen aus und basiert einzig auf den Bilddaten des Multikamerasystems. In einer umfangreichen experimentellen Auswertung mit realen Daten vergleichen wir die Ergebnisse der auf unterschiedlichen Bedingungsgleichungen und Bewegungsmodellen basierenden Verfahren mit den aus einer Referenzkalibrierung bestimmten Parametern. Die besten Ergebnisse wurden dabei durch die Kombination aller vorgestellten Bedingungsgleichungen erzielt. Anhand mehrerer Beispiele zeigen wir, dass die erreichte Genauigkeit ausreichend für eine Vielzahl von Anwendungen ist

Correction of Errors in Time of Flight Cameras

En esta tesis se aborda la corrección de errores en cámaras de profundidad basadas en tiempo de vuelo (Time of Flight - ToF). De entre las más recientes tecnologías, las cámaras ToF de modulación continua (Continuous Wave Modulation - CWM) son una alternativa prometedora para la creación de sensores compactos y rápidos. Sin embargo, existen gran variedad de errores que afectan notablemente la medida de profundidad, poniendo en compromiso posibles aplicaciones. La corrección de dichos errores propone un reto desafiante. Actualmente, se consideran dos fuentes principales de error: i) sistemático y ii) no sistemático. Mientras que el primero admite calibración, el último depende de la geometría y el movimiento relativo de la escena. Esta tesis propone métodos que abordan i) la distorsión sistemática de profundidad y dos de las fuentes de error no sistemático más relevantes: ii.a) la interferencia por multicamino (Multipath Interference - MpI) y ii.b) los artefactos de movimiento. La distorsión sistemática de profundidad en cámaras ToF surge principalmente debido al uso de señales sinusoidales no perfectas para modular. Como resultado, las medidas de profundidad aparecen distorsionadas, pudiendo ser reducidas con una etapa de calibración. Esta tesis propone un método de calibración basado en mostrar a la cámara un plano en diferentes posiciones y orientaciones. Este método no requiere de patrones de calibración y, por tanto, puede emplear los planos, que de manera natural, aparecen en la escena. El método propuesto encuentra una función que obtiene la corrección de profundidad correspondiente a cada píxel. Esta tesis mejora los métodos existentes en cuanto a precisión, eficiencia e idoneidad. La interferencia por multicamino surge debido a la superposición de la señal reflejada por diferentes caminos con la reflexión directa, produciendo distorsiones que se hacen más notables en superficies convexas. La MpI es la causa de importantes errores en la estimación de profundidad en cámaras CWM ToF. Esta tesis propone un método que elimina la MpI a partir de un solo mapa de profundidad. El enfoque propuesto no requiere más información acerca de la escena que las medidas ToF. El método se fundamenta en un modelo radio-métrico de las medidas que se emplea para estimar de manera muy precisa el mapa de profundidad sin distorsión. Una de las tecnologías líderes para la obtención de profundidad en imagen ToF está basada en Photonic Mixer Device (PMD), la cual obtiene la profundidad mediante el muestreado secuencial de la correlación entre la señal de modulación y la señal proveniente de la escena en diferentes desplazamientos de fase. Con movimiento, los píxeles PMD capturan profundidades diferentes en cada etapa de muestreo, produciendo artefactos de movimiento. El método propuesto en esta tesis para la corrección de dichos artefactos destaca por su velocidad y sencillez, pudiendo ser incluido fácilmente en el hardware de la cámara. La profundidad de cada píxel se recupera gracias a la consistencia entre las muestras de correlación en el píxel PMD y de la vecindad local. Este método obtiene correcciones precisas, reduciendo los artefactos de movimiento enormemente. Además, como resultado de este método, puede obtenerse el flujo óptico en los contornos en movimiento a partir de una sola captura. A pesar de ser una alternativa muy prometedora para la obtención de profundidad, las cámaras ToF todavía tienen que resolver problemas desafiantes en relación a la corrección de errores sistemáticos y no sistemáticos. Esta tesis propone métodos eficaces para enfrentarse con estos errores

Hand pose recognition using a consumer depth camera

[no abstract

Vision-based human action recognition using machine learning techniques

The focus of this thesis is on automatic recognition of human actions in videos. Human action recognition is defined as automatic understating of what actions occur in a video performed by a human. This is a difficult problem due to the many challenges including, but not limited to, variations in human shape and motion, occlusion, cluttered background, moving cameras, illumination conditions, and viewpoint variations. To start with, The most popular and prominent state-of-the-art techniques are reviewed, evaluated, compared, and presented. Based on the literature review, these techniques are categorized into handcrafted feature-based and deep learning-based approaches. The proposed action recognition framework is then based on these handcrafted and deep learning based techniques, which are then adopted throughout the thesis by embedding novel algorithms for action recognition, both in the handcrafted and deep learning domains. First, a new method based on handcrafted approach is presented. This method addresses one of the major challenges known as “viewpoint variations” by presenting a novel feature descriptor for multiview human action recognition. This descriptor employs the region-based features extracted from the human silhouette. The proposed approach is quite simple and achieves state-of-the-art results without compromising the efficiency of the recognition process which shows its suitability for real-time applications. Second, two innovative methods are presented based on deep learning approach, to go beyond the limitations of handcrafted approach. The first method is based on transfer learning using pre-trained deep learning model as a source architecture to solve the problem of human action recognition. It is experimentally confirmed that deep Convolutional Neural Network model already trained on large-scale annotated dataset is transferable to action recognition task with limited training dataset. The comparative analysis also confirms its superior performance over handcrafted feature-based methods in terms of accuracy on same datasets. The second method is based on unsupervised deep learning-based approach. This method employs Deep Belief Networks (DBNs) with restricted Boltzmann machines for action recognition in unconstrained videos. The proposed method automatically extracts suitable feature representation without any prior knowledge using unsupervised deep learning model. The effectiveness of the proposed method is confirmed with high recognition results on a challenging UCF sports dataset. Finally, the thesis is concluded with important discussions and research directions in the area of human action recognition

Commissioning and First Science Results of the Desert Fireball Network: a Global-Scale Automated Survey for Large Meteoroid Impacts

This thesis explores the first results from the Desert Fireball Network, a distributed global observatory designed to characterise fireballs caused by meteoroid impacts. To deal with the >50 terabytes of data influx per week, innovative data reduction techniques have been developed. The science topics investigated in this work include airbursts caused by large meteoroids impacting the Earth's atmosphere, the recovery of a meteorite and its orbital history, and the structure of a meteor shower