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

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

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

Automatic Video Captioning using Deep Neural Network

Video understanding has become increasingly important as surveillance, social, and informational videos weave themselves into our everyday lives. Video captioning offers a simple way to summarize, index, and search the data. Most video captioning models utilize a video encoder and captioning decoder framework. Hierarchical encoders can abstractly capture clip level temporal features to represent a video, but the clips are at fixed time steps. This thesis research introduces two models: a hierarchical model with steered captioning, and a Multi-stream Hierarchical Boundary model. The steered captioning model is the first attention model to smartly guide an attention model to appropriate locations in a video by using visual attributes. The Multi-stream Hierarchical Boundary model combines a fixed hierarchy recurrent architecture with a soft hierarchy layer by using intrinsic feature boundary cuts within a video to define clips. This thesis also introduces a novel parametric Gaussian attention which removes the restriction of soft attention techniques which require fixed length video streams. By carefully incorporating Gaussian attention in designated layers, the proposed models demonstrate state-of-the-art video captioning results on recent datasets

Attend and Interact: Higher-Order Object Interactions for Video Understanding

Human actions often involve complex interactions across several inter-related objects in the scene. However, existing approaches to fine-grained video understanding or visual relationship detection often rely on single object representation or pairwise object relationships. Furthermore, learning interactions across multiple objects in hundreds of frames for video is computationally infeasible and performance may suffer since a large combinatorial space has to be modeled. In this paper, we propose to efficiently learn higher-order interactions between arbitrary subgroups of objects for fine-grained video understanding. We demonstrate that modeling object interactions significantly improves accuracy for both action recognition and video captioning, while saving more than 3-times the computation over traditional pairwise relationships. The proposed method is validated on two large-scale datasets: Kinetics and ActivityNet Captions. Our SINet and SINet-Caption achieve state-of-the-art performances on both datasets even though the videos are sampled at a maximum of 1 FPS. To the best of our knowledge, this is the first work modeling object interactions on open domain large-scale video datasets, and we additionally model higher-order object interactions which improves the performance with low computational costs.Comment: CVPR 201