Fusion of Multimodal Information in Music Content Analysis

Music is often processed through its acoustic realization. This is restrictive in the sense that music is clearly a highly multimodal concept where various types of heterogeneous information can be associated to a given piece of music (a musical score, musicians\u27 gestures, lyrics, user-generated metadata, etc.). This has recently led researchers to apprehend music through its various facets, giving rise to "multimodal music analysis" studies. This article gives a synthetic overview of methods that have been successfully employed in multimodal signal analysis. In particular, their use in music content processing is discussed in more details through five case studies that highlight different multimodal integration techniques. The case studies include an example of cross-modal correlation for music video analysis, an audiovisual drum transcription system, a description of the concept of informed source separation, a discussion of multimodal dance-scene analysis, and an example of user-interactive music analysis. In the light of these case studies, some perspectives of multimodality in music processing are finally suggested

A compact representation of human actions by sliding coordinate coding

Human action recognition remains challenging in realistic videos, where scale and viewpoint changes make the problem complicated. Many complex models have been developed to overcome these difficulties, while we explore using low-level features and typical classifiers to achieve the state-of-the-art performance. The baseline model of feature encoding for action recognition is bag-of-words model, which has shown high efficiency but ignores the arrangement of local features. Refined methods compensate for this problem by using a large number of co-occurrence descriptors or a concatenation of the local distributions in designed segments. In contrast, this article proposes to encode the relative position of visual words using a simple but very compact method called sliding coordinates coding (SCC). The SCC vector of each kind of word is only an eight-dimensional vector which is more compact than many of the spatial or spatial–temporal pooling methods in the literature. Our key observation is that the relative position is robust to the variations of video scale and view angle. Additionally, we design a temporal cutting scheme to define the margin of coding within video clips, since visual words far away from each other have little relationship. In experiments, four action data sets, including KTH, Rochester Activities, IXMAS, and UCF YouTube, are used for performance evaluation. Results show that our method achieves comparable or better performance than the state of the art, while using more compact and less complex models.Published versio

Human Pose Estimation with Implicit Shape Models

This work presents a new approach for estimating 3D human poses based on monocular camera information only. For this, the Implicit Shape Model is augmented by new voting strategies that allow to localize 2D anatomical landmarks in the image. The actual 3D pose estimation is then formulated as a Particle Swarm Optimization (PSO) where projected 3D pose hypotheses are compared with the generated landmark vote distributions

Human Motion Analysis for Efficient Action Recognition

Automatic understanding of human actions is at the core of several application domains, such as content-based indexing, human-computer interaction, surveillance, and sports video analysis. The recent advances in digital platforms and the exponential growth of video and image data have brought an urgent quest for intelligent frameworks to automatically analyze human motion and predict their corresponding action based on visual data and sensor signals. This thesis presents a collection of methods that targets human action recognition using different action modalities. The first method uses the appearance modality and classifies human actions based on heterogeneous global- and local-based features of scene and humanbody appearances. The second method harnesses 2D and 3D articulated human poses and analyizes the body motion using a discriminative combination of the parts’ velocities, locations, and correlations histograms for action recognition. The third method presents an optimal scheme for combining the probabilistic predictions from different action modalities by solving a constrained quadratic optimization problem. In addition to the action classification task, we present a study that compares the utility of different pose variants in motion analysis for human action recognition. In particular, we compare the recognition performance when 2D and 3D poses are used. Finally, we demonstrate the efficiency of our pose-based method for action recognition in spotting and segmenting motion gestures in real time from a continuous stream of an input video for the recognition of the Italian sign gesture language

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

Deliverable D1.2 Visual, text and audio information analysis for hypervideo, first release

Enriching videos by offering continuative and related information via, e.g., audiostreams, web pages, as well as other videos, is typically hampered by its demand for massive editorial work. While there exist several automatic and semi-automatic methods that analyze audio/video content, one needs to decide which method offers appropriate information for our intended use-case scenarios. We review the technology options for video analysis that we have access to, and describe which training material we opted for to feed our algorithms. For all methods, we offer extensive qualitative and quantitative results, and give an outlook on the next steps within the project

Large-Scale Video Event Detection

Because of the rapid growth of large scale video recording and sharing, there is a growing need for robust and scalable solutions for analyzing video content. The ability to detect and recognize video events that capture real-world activities is one of the key and complex problems. This thesis aims at the development of robust and efficient solutions for large scale video event detection systems. In particular, we investigate the problem in two areas: first, event detection with automatically discovered event specific concepts with organized ontology, and second, event detection with multi-modality representations and multi-source fusion. Existing event detection works use various low-level features with statistical learning models, and achieve promising performance. However, such approaches lack the capability of interpreting the abundant semantic content associated with complex video events. Therefore, mid-level semantic concept representation of complex events has emerged as a promising method for understanding video events. In this area, existing works can be categorized into two groups: those that manually define a specialized concept set for a specific event, and those that apply a general concept lexicon directly borrowed from existing object, scene and action concept libraries. The first approach seems to require tremendous manual efforts, whereas the second approach is often insufficient in capturing the rich semantics contained in video events. In this work, we propose an automatic event-driven concept discovery method, and build a large-scale event and concept library with well-organized ontology, called EventNet. This method is different from past work that applies a generic concept library independent of the target while not requiring tedious manual annotations. Extensive experiments over the zero-shot event retrieval task when no training samples are available show that the proposed EventNet library consistently and significantly outperforms the state-of-the-art methods. Although concept-based event representation can interpret the semantic content of video events, in order to achieve high accuracy in event detection, we also need to consider and combine various features of different modalities and/or across different levels. One one hand, we observe that joint cross-modality patterns (e.g., audio-visual pattern) often exist in videos and provide strong multi-modal cues for detecting video events. We propose a joint audio-visual bi-modal codeword representation, called bi-modal words, to discover cross-modality correlations. On the other hand, combining features from multiple sources often produces performance gains, especially when the features complement with each other. Existing multi-source late fusion methods usually apply direct combination of confidence scores from different sources. This becomes limiting because heterogeneous results from various sources often produce incomparable confidence scores at different scales. This makes direct late fusion inappropriate, thus posing a great challenge. Based upon the above considerations, we propose a robust late fusion method with rank minimization, that not only achieves isotonicity among various scores from different sources, but also recovers a robust prediction score for individual test samples. We experimentally show that the proposed multi-modality representation and multi-source fusion methods achieve promising results compared with other benchmark baselines. The main contributions of the thesis include the following. 1. Large scale event and concept ontology: a) propose an automatic framework for discovering event-driven concepts; b) build the largest video event ontology, EventNet, which includes 500 complex events and 4,490 event-specific concepts; c) build the first interactive system that allows users to explore high-level events and associated concepts in videos with event browsing, search, and tagging functions. 2. Event detection with multi-modality representations and multi-source fusion: a) propose novel bi-modal codeword construction for discovering multi-modality correlations; b) propose novel robust late fusion with rank minimization method for combining information from multiple sources. The two parts of the thesis are complimentary. Concept-based event representation provides rich semantic information for video events. Cross-modality features also provide complementary information from multiple sources. The combination of those two parts in a unified framework can offer great potential for advancing state-of-the-art in large-scale event detection

Human Pose Estimation with Implicit Shape Models

Diese Doktorarbeit stellt einen neuen Ansatz vor, wie 3D Posen von Personen alleine auf Basis monokularer Bildinformation geschätzt werden können. Hierzu wird das Implicit Shape Modell um neue Votingstrategien erweitert, die die Lokalisierung anatomischer Landmarken im 2D Bildraum erlauben. Das anschließende eigentliche 3D Posenschätzungsproblem wird dann im Rahmen einer Partikel-Schwarm-Optimierung auf Basis der generierten Voteverteilungen formuliert