Depth sequence coding with hierarchical partitioning and spatial-domain quantization

Depth coding in 3D-HEVC deforms object shapes due to block-level edge-approximation and lacks efficient techniques to exploit the statistical redundancy, due to the frame-level clustering tendency in depth data, for higher coding gain at near-lossless quality. This paper presents a standalone mono-view depth sequence coder, which preserves edges implicitly by limiting quantization to the spatial-domain and exploits the frame-level clustering tendency efficiently with a novel binary tree-based decomposition (BTBD) technique. The BTBD can exploit the statistical redundancy in frame-level syntax, motion components, and residuals efficiently with fewer block-level prediction/coding modes and simpler context modeling for context-adaptive arithmetic coding. Compared with the depth coder in 3D-HEVC, the proposed one has achieved significantly lower bitrate at lossless to near-lossless quality range for mono-view coding and rendered superior quality synthetic views from the depth maps, compressed at the same bitrate, and the corresponding texture frames. © 1991-2012 IEEE

Efficient high-resolution video compression scheme using background and foreground layers

Video coding using dynamic background frame achieves better compression compared to the traditional techniques by encoding background and foreground separately. This process reduces coding bits for the overall frame significantly; however, encoding background still requires many bits that can be compressed further for achieving better coding efficiency. The cuboid coding framework has been proven to be one of the most effective methods of image compression which exploits homogeneous pixel correlation within a frame and has better alignment with object boundary compared to traditional block-based coding. In a video sequence, the cuboid-based frame partitioning varies with the changes of the foreground. However, since the background remains static for a group of pictures, the cuboid coding exploits better spatial pixel homogeneity. In this work, the impact of cuboid coding on the background frame for high-resolution videos (Ultra-High-Definition (UHD) and 360-degree videos) is investigated using the multilayer framework of SHVC. After the cuboid partitioning, the method of coarse frame generation has been improved with a novel idea by keeping human-visual sensitive information. Unlike the traditional SHVC scheme, in the proposed method, cuboid coded background and the foreground are encoded in separate layers in an implicit manner. Simulation results show that the proposed video coding method achieves an average BD-Rate reduction of 26.69% and BD-PSNR gain of 1.51 dB against SHVC with significant encoding time reduction for both UHD and 360 videos. It also achieves an average of 13.88% BD-Rate reduction and 0.78 dB BD-PSNR gain compared to the existing relevant method proposed by X. Hoang Van. © 2013 IEEE

Unsupervised Discovery of Parts, Structure, and Dynamics

Humans easily recognize object parts and their hierarchical structure by watching how they move; they can then predict how each part moves in the future. In this paper, we propose a novel formulation that simultaneously learns a hierarchical, disentangled object representation and a dynamics model for object parts from unlabeled videos. Our Parts, Structure, and Dynamics (PSD) model learns to, first, recognize the object parts via a layered image representation; second, predict hierarchy via a structural descriptor that composes low-level concepts into a hierarchical structure; and third, model the system dynamics by predicting the future. Experiments on multiple real and synthetic datasets demonstrate that our PSD model works well on all three tasks: segmenting object parts, building their hierarchical structure, and capturing their motion distributions.Comment: ICLR 2019. The first two authors contributed equally to this wor

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

Multi-Modality Human Action Recognition

Human action recognition is very useful in many applications in various areas, e.g. video surveillance, HCI (Human computer interaction), video retrieval, gaming and security. Recently, human action recognition becomes an active research topic in computer vision and pattern recognition. A number of action recognition approaches have been proposed. However, most of the approaches are designed on the RGB images sequences, where the action data was collected by RGB/intensity camera. Thus the recognition performance is usually related to various occlusion, background, and lighting conditions of the image sequences. If more information can be provided along with the image sequences, more data sources other than the RGB video can be utilized, human actions could be better represented and recognized by the designed computer vision system.;In this dissertation, the multi-modality human action recognition is studied. On one hand, we introduce the study of multi-spectral action recognition, which involves the information from different spectrum beyond visible, e.g. infrared and near infrared. Action recognition in individual spectra is explored and new methods are proposed. Then the cross-spectral action recognition is also investigated and novel approaches are proposed in our work. On the other hand, since the depth imaging technology has made a significant progress recently, where depth information can be captured simultaneously with the RGB videos. The depth-based human action recognition is also investigated. I first propose a method combining different type of depth data to recognize human actions. Then a thorough evaluation is conducted on spatiotemporal interest point (STIP) based features for depth-based action recognition. Finally, I advocate the study of fusing different features for depth-based action analysis. Moreover, human depression recognition is studied by combining facial appearance model as well as facial dynamic model

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

Human and Group Activity Recognition from Video Sequences

A good solution to human activity recognition enables the creation of a wide variety of useful applications such as applications in visual surveillance, vision-based Human-Computer-Interaction (HCI) and gesture recognition. In this thesis, a graph based approach to human activity recognition is proposed which models spatio-temporal features as contextual space-time graphs. In this method, spatio-temporal gradient cuboids were extracted at significant regions of activity, and feature graphs (gradient, space-time, local neighbours, immediate neighbours) are constructed using the similarity matrix. The Laplacian representation of the graph is utilised to reduce the computational complexity and to allow the use of traditional statistical classifiers. A second methodology is proposed to detect and localise abnormal activities in crowded scenes. This approach has two stages: training and identification. During the training stage, specific human activities are identified and characterised by employing modelling of medium-term movement flow through streaklines. Each streakline is formed by multiple optical flow vectors that represent and track locally the movement in the scene. A dictionary of activities is recorded for a given scene during the training stage. During the testing stage, the consistency of each observed activity with those from the dictionary is verified using the Kullback-Leibler (KL) divergence. The anomaly detection of the proposed methodology is compared to state of the art, producing state of the art results for localising anomalous activities. Finally, we propose an automatic group activity recognition approach by modelling the interdependencies of group activity features over time. We propose to model the group interdependences in both motion and location spaces. These spaces are extended to time-space and time-movement spaces and modelled using Kernel Density Estimation (KDE). The recognition performance of the proposed methodology shows an improvement in recognition performance over state of the art results on group activity datasets