Action Recognition in Video Using Sparse Coding and Relative Features

This work presents an approach to category-based action recognition in video using sparse coding techniques. The proposed approach includes two main contributions: i) A new method to handle intra-class variations by decomposing each video into a reduced set of representative atomic action acts or key-sequences, and ii) A new video descriptor, ITRA: Inter-Temporal Relational Act Descriptor, that exploits the power of comparative reasoning to capture relative similarity relations among key-sequences. In terms of the method to obtain key-sequences, we introduce a loss function that, for each video, leads to the identification of a sparse set of representative key-frames capturing both, relevant particularities arising in the input video, as well as relevant generalities arising in the complete class collection. In terms of the method to obtain the ITRA descriptor, we introduce a novel scheme to quantify relative intra and inter-class similarities among local temporal patterns arising in the videos. The resulting ITRA descriptor demonstrates to be highly effective to discriminate among action categories. As a result, the proposed approach reaches remarkable action recognition performance on several popular benchmark datasets, outperforming alternative state-of-the-art techniques by a large margin.Comment: Accepted to CVPR 201

ML4Chem: A Machine Learning Package for Chemistry and Materials Science

ML4Chem is an open-source machine learning library for chemistry and materials science. It provides an extendable platform to develop and deploy machine learning models and pipelines and is targeted to the non-expert and expert users. ML4Chem follows user-experience design and offers the needed tools to go from data preparation to inference. Here we introduce its atomistic module for the implementation, deployment, and reproducibility of atom-centered models. This module is composed of six core building blocks: data, featurization, models, model optimization, inference, and visualization. We present their functionality and easiness of use with demonstrations utilizing neural networks and kernel ridge regression algorithms.Comment: 32 pages, 11 Figure

Going Deeper into Action Recognition: A Survey

Understanding human actions in visual data is tied to advances in complementary research areas including object recognition, human dynamics, domain adaptation and semantic segmentation. Over the last decade, human action analysis evolved from earlier schemes that are often limited to controlled environments to nowadays advanced solutions that can learn from millions of videos and apply to almost all daily activities. Given the broad range of applications from video surveillance to human-computer interaction, scientific milestones in action recognition are achieved more rapidly, eventually leading to the demise of what used to be good in a short time. This motivated us to provide a comprehensive review of the notable steps taken towards recognizing human actions. To this end, we start our discussion with the pioneering methods that use handcrafted representations, and then, navigate into the realm of deep learning based approaches. We aim to remain objective throughout this survey, touching upon encouraging improvements as well as inevitable fallbacks, in the hope of raising fresh questions and motivating new research directions for the reader

An Unsupervised Approach to Modelling Visual Data

For very large visual datasets, producing expert ground-truth data for training supervised algorithms can represent a substantial human effort. In these situations there is scope for the use of unsupervised approaches that can model collections of images and automatically summarise their content. The primary motivation for this thesis comes from the problem of labelling large visual datasets of the seafloor obtained by an Autonomous Underwater Vehicle (AUV) for ecological analysis. It is expensive to label this data, as taxonomical experts for the specific region are required, whereas automatically generated summaries can be used to focus the efforts of experts, and inform decisions on additional sampling. The contributions in this thesis arise from modelling this visual data in entirely unsupervised ways to obtain comprehensive visual summaries. Firstly, popular unsupervised image feature learning approaches are adapted to work with large datasets and unsupervised clustering algorithms. Next, using Bayesian models the performance of rudimentary scene clustering is boosted by sharing clusters between multiple related datasets, such as regular photo albums or AUV surveys. These Bayesian scene clustering models are extended to simultaneously cluster sub-image segments to form unsupervised notions of “objects” within scenes. The frequency distribution of these objects within scenes is used as the scene descriptor for simultaneous scene clustering. Finally, this simultaneous clustering model is extended to make use of whole image descriptors, which encode rudimentary spatial information, as well as object frequency distributions to describe scenes. This is achieved by unifying the previously presented Bayesian clustering models, and in so doing rectifies some of their weaknesses and limitations. Hence, the final contribution of this thesis is a practical unsupervised algorithm for modelling images from the super-pixel to album levels, and is applicable to large datasets

Unsupervised object candidate discovery for activity recognition

Die automatische Interpretation menschlicher Bewegungsabläufe auf Basis von Videos ist ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen im Bereich des Maschinellen Sehens, wie zum Beispiel Mensch-Roboter Interaktion, Videoüberwachung, und inhaltsbasierte Analyse von Multimedia Daten. Anders als die meisten Ansätze auf diesem Gebiet, die hauptsächlich auf die Klassifikation von einfachen Aktionen, wie Aufstehen, oder Gehen ausgerichtet sind, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Erkennung menschlicher Aktivitäten, d.h. komplexer Aktionssequenzen, die meist Interaktionen des Menschen mit Objekten beinhalten. Gemäß der Aktionsidentifikationstheorie leiten menschliche Aktivitäten ihre Bedeutung nicht nur von den involvierten Bewegungsmustern ab, sondern vor allem vom generellen Kontext, in dem sie stattfinden. Zu diesen kontextuellen Informationen gehören unter anderem die Gesamtheit aller vorher furchgeführter Aktionen, der Ort an dem sich die aktive Person befindet, sowie die Menge der Objekte, die von ihr manipuliert werden. Es ist zum Beispiel nicht möglich auf alleiniger Basis von Bewegungsmustern und ohne jeglicher Miteinbeziehung von Objektwissen zu entschieden ob eine Person, die ihre Hand zum Mund führt gerade etwas isst oder trinkt, raucht, oder bloß die Lippen abwischt. Die meisten Arbeiten auf dem Gebiet der computergestützten Aktons- und Aktivitätserkennung ignorieren allerdings jegliche durch den Kontext bedingte Informationen und beschränken sich auf die Identifikation menschlicher Aktivitäten auf Basis der beobachteten Bewegung. Wird jedoch Objektwissen für die Klassifikation miteinbezogen, so geschieht dies meist unter Zuhilfenahme von überwachten Detektoren, für deren Einrichtung widerum eine erhebliche Menge an Trainingsdaten erforderlich ist. Bedingt durch die hohen zeitlichen Kosten, die die Annotation dieser Trainingsdaten mit sich bringt, wird das Erweitern solcher Systeme, zum Beispiel durch das Hinzufügen neuer Typen von Aktionen, zum eigentlichen Flaschenhals. Ein weiterer Nachteil des Hinzuziehens von überwacht trainierten Objektdetektoren, ist deren Fehleranfälligkeit, selbst wenn die verwendeten Algorithmen dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Basierend auf dieser Beobachtung ist das Ziel dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit computergestützter Aktivitätserkennung zu verbessern mit Hilfe der Hinzunahme von Objektwissen, welches im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen ohne überwachten Trainings gewonnen werden kann. Wir Menschen haben die bemerkenswerte Fähigkeit selektiv die Aufmerksamkeit auf bestimmte Regionen im Blickfeld zu fokussieren und gleichzeitig nicht relevante Regionen auszublenden. Dieser kognitive Prozess erlaubt es uns unsere beschränkten Bewusstseinsressourcen unbewusst auf Inhalte zu richten, die anschließend durch das Gehirn ausgewertet werden. Zum Beispiel zur Interpretation visueller Muster als Objekte eines bestimmten Typs. Die Regionen im Blickfeld, die unsere Aufmerksamkeit unbewusst anziehen werden als Proto-Objekte bezeichnet. Sie sind definiert als unbestimmte Teile des visuellen Informationsspektrums, die zu einem späteren Zeitpunkt durch den Menschen als tatsächliche Objekte wahrgenommen werden können, wenn er seine Aufmerksamkeit auf diese richtet. Einfacher ausgedrückt: Proto-Objekte sind Kandidaten für Objekte, oder deren Bestandteile, die zwar lokalisiert aber noch nicht identifiziert wurden. Angeregt durch die menschliche Fähigkeit solche visuell hervorstechenden (salienten) Regionen zuverlässig vom Hintergrund zu unterscheiden, haben viele Wissenschaftler Methoden entwickelt, die es erlauben Proto-Objekte zu lokalisieren. Allen diesen Algorithmen ist gemein, dass möglichst wenig statistisches Wissens über tatsächliche Objekte vorausgesetzt wird. Visuelle Aufmerksamkeit und Objekterkennung sind sehr eng miteinander vernküpfte Prozesse im visuellen System des Menschen. Aus diesem Grund herrscht auf dem Gebiet des Maschinellen Sehens ein reges Interesse an der Integration beider Konzepte zur Erhöhung der Leistung aktueller Bilderkennungssysteme. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden gehen in eine ähnliche Richtung: wir demonstrieren, dass die Lokalisation von Proto-Objekten es erlaubt Objektkandidaten zu finden, die geeignet sind als zusätzliche Modalität zu dienen für die bewegungsbasierte Erkennung menschlicher Aktivitäten. Die Grundlage dieser Arbeit bildet dabei ein sehr effizienter Algorithmus, der die visuelle Salienz mit Hilfe von quaternionenbasierten DCT Bildsignaturen approximiert. Zur Extraktion einer Menge geeigneter Objektkandidaten (d.h. Proto-Objekten) aus den resultierenden Salienzkarten, haben wir eine Methode entwickelt, die den kognitiven Mechanismus des Inhibition of Return implementiert. Die auf diese Weise gewonnenen Objektkandidaten nutzen wir anschliessend in Kombination mit state-of-the-art Bag-of-Words Methoden zur Merkmalsbeschreibung von Bewegungsmustern um komplexe Aktivitäten des täglichen Lebens zu klassifizieren. Wir evaluieren das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte System auf diversen häufig genutzten Benchmark-Datensätzen und zeigen experimentell, dass das Miteinbeziehen von Proto-Objekten für die Aktivitätserkennung zu einer erheblichen Leistungssteigerung führt im Vergleich zu rein bewegungsbasierten Ansätzen. Zudem demonstrieren wir, dass das vorgestellte System bei der Erkennung menschlicher Aktivitäten deutlich weniger Fehler macht als eine Vielzahl von Methoden, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Überraschenderweise übertrifft unser System leistungsmäßig sogar Verfahren, die auf Objektwissen aufbauen, welches von überwacht trainierten Detektoren, oder manuell erstellten Annotationen stammt. Benchmark-Datensätze sind ein sehr wichtiges Mittel zum quantitativen Vergleich von computergestützten Mustererkennungsverfahren. Nach einer Überprüfung aller öffentlich verfügbaren, relevanten Benchmarks, haben wir jedoch festgestellt, dass keiner davon geeignet war für eine detaillierte Evaluation von Methoden zur Erkennung komplexer, menschlicher Aktivitäten. Aus diesem Grund bestand ein Teil dieser Arbeit aus der Konzeption und Aufnahme eines solchen Datensatzes, des KIT Robo-kitchen Benchmarks. Wie der Name vermuten lässt haben wir uns dabei für ein Küchenszenario entschieden, da es ermöglicht einen großen Umfang an Aktivitäten des täglichen Lebens einzufangen, von denen viele Objektmanipulationen enthalten. Um eine möglichst umfangreiche Menge natürlicher Bewegungen zu erhalten, wurden die Teilnehmer während der Aufnahmen kaum eingeschränkt in der Art und Weise wie die diversen Aktivitäten auszuführen sind. Zu diesem Zweck haben wir den Probanden nur die Art der auszuführenden Aktivität mitgeteilt, sowie wo die benötigten Gegenstände zu finden sind, und ob die jeweilige Tätigkeit am Küchentisch oder auf der Arbeitsplatte auszuführen ist. Dies hebt KIT Robo-kitchen deutlich hervor gegenüber den meisten existierenden Datensätzen, die sehr unrealistisch gespielte Aktivitäten enthalten, welche unter Laborbedingungen aufgenommen wurden. Seit seiner Veröffentlichung wurde der resultierende Benchmark mehrfach verwendet zur Evaluation von Algorithmen, die darauf abzielen lang andauerne, realistische, komplexe, und quasi-periodische menschliche Aktivitäten zu erkennen

Novel perspectives and approaches to video summarization

The increasing volume of videos requires efficient and effective techniques to index and structure videos. Video summarization is such a technique that extracts the essential information from a video, so that tasks such as comprehension by users and video content analysis can be conducted more effectively and efficiently. The research presented in this thesis investigates three novel perspectives of the video summarization problem and provides approaches to such perspectives. Our first perspective is to employ local keypoint to perform keyframe selection. Two criteria, namely Coverage and Redundancy, are introduced to guide the keyframe selection process in order to identify those representing maximum video content and sharing minimum redundancy. To efficiently deal with long videos, a top-down strategy is proposed, which splits the summarization problem to two sub-problems: scene identification and scene summarization. Our second perspective is to formulate the task of video summarization to the problem of sparse dictionary reconstruction. Our method utilizes the true sparse constraint L0 norm, instead of the relaxed constraint L2,1 norm, such that keyframes are directly selected as a sparse dictionary that can reconstruct the video frames. In addition, a Percentage Of Reconstruction (POR) criterion is proposed to intuitively guide users in selecting an appropriate length of the summary. In addition, an L2,0 constrained sparse dictionary selection model is also proposed to further verify the effectiveness of sparse dictionary reconstruction for video summarization. Lastly, we further investigate the multi-modal perspective of multimedia content summarization and enrichment. There are abundant images and videos on the Web, so it is highly desirable to effectively organize such resources for textual content enrichment. With the support of web scale images, our proposed system, namely StoryImaging, is capable of enriching arbitrary textual stories with visual content

Supervised dictionary learning for action recognition and localization

PhDImage sequences with humans and human activities are everywhere. With the amount of produced and distributed data increasing at an unprecedented rate, there has been a lot of interest in building systems that can understand and interpret the visual data, and in particular detect and recognise human actions. Dictionary based approaches learn a dictionary from descriptors extracted from the videos in the first stage and a classifier or a detector in the second stage. The major drawback of such an approach is that the dictionary is learned in an unsupervised manner without considering the task (classification or detection) that follows it. In this work we develop task dependent(supervised) dictionaries for action recognition and localization, i.e., dictionaries that are best suited for the subsequent task. In the first part of the work, we propose a supervised max-margin framework for linear and non-linear Non-Negative Matrix Factorization (NMF). To achieve this, we impose max-margin constraints within the formulation of NMF and simultaneously solve for the classifier and the dictionary. The dictionary (basis matrix) thus obtained maximizes the margin of the classifier in the low dimensional space (in the linear case) or in the high dimensional feature space (in the non-linear case). In the second part the work, we develop methodologies for action localization. We first propose a dictionary weighting approach where we learn local and global weights for the dictionary by considering the localization information of the training sequences. We next extend this approach to learn a task-dependent dictionary for action localization that incorporates the localization information of the training sequences into dictionary learning. The results on publicly available datasets show that the performance of the system is improved by using the supervised information while learning dictionary.QMUL; EPSRC PhD scholarship program (EP/G033935/1)