Change blindness: eradication of gestalt strategies

Arrays of eight, texture-defined rectangles were used as stimuli in a one-shot change blindness (CB) task where there was a 50% chance that one rectangle would change orientation between two successive presentations separated by an interval. CB was eliminated by cueing the target rectangle in the first stimulus, reduced by cueing in the interval and unaffected by cueing in the second presentation. This supports the idea that a representation was formed that persisted through the interval before being 'overwritten' by the second presentation (Landman et al, 2003 Vision Research 43149–164]. Another possibility is that participants used some kind of grouping or Gestalt strategy. To test this we changed the spatial position of the rectangles in the second presentation by shifting them along imaginary spokes (by ±1 degree) emanating from the central fixation point. There was no significant difference seen in performance between this and the standard task [F(1,4)=2.565, p=0.185]. This may suggest two things: (i) Gestalt grouping is not used as a strategy in these tasks, and (ii) it gives further weight to the argument that objects may be stored and retrieved from a pre-attentional store during this task

Renewing the respect for similarity

In psychology, the concept of similarity has traditionally evoked a mixture of respect, stemming from its ubiquity and intuitive appeal, and concern, due to its dependence on the framing of the problem at hand and on its context. We argue for a renewed focus on similarity as an explanatory concept, by surveying established results and new developments in the theory and methods of similarity-preserving associative lookup and dimensionality reduction—critical components of many cognitive functions, as well as of intelligent data management in computer vision. We focus in particular on the growing family of algorithms that support associative memory by performing hashing that respects local similarity, and on the uses of similarity in representing structured objects and scenes. Insofar as these similarity-based ideas and methods are useful in cognitive modeling and in AI applications, they should be included in the core conceptual toolkit of computational neuroscience. In support of this stance, the present paper (1) offers a discussion of conceptual, mathematical, computational, and empirical aspects of similarity, as applied to the problems of visual object and scene representation, recognition, and interpretation, (2) mentions some key computational problems arising in attempts to put similarity to use, along with their possible solutions, (3) briefly states a previously developed similarity-based framework for visual object representation, the Chorus of Prototypes, along with the empirical support it enjoys, (4) presents new mathematical insights into the effectiveness of this framework, derived from its relationship to locality-sensitive hashing (LSH) and to concomitant statistics, (5) introduces a new model, the Chorus of Relational Descriptors (ChoRD), that extends this framework to scene representation and interpretation, (6) describes its implementation and testing, and finally (7) suggests possible directions in which the present research program can be extended in the future

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

Automatic annotation for weakly supervised learning of detectors

PhDObject detection in images and action detection in videos are among the most widely studied computer vision problems, with applications in consumer photography, surveillance, and automatic media tagging. Typically, these standard detectors are fully supervised, that is they require a large body of training data where the locations of the objects/actions in images/videos have been manually annotated. With the emergence of digital media, and the rise of high-speed internet, raw images and video are available for little to no cost. However, the manual annotation of object and action locations remains tedious, slow, and expensive. As a result there has been a great interest in training detectors with weak supervision where only the presence or absence of object/action in image/video is needed, not the location. This thesis presents approaches for weakly supervised learning of object/action detectors with a focus on automatically annotating object and action locations in images/videos using only binary weak labels indicating the presence or absence of object/action in images/videos. First, a framework for weakly supervised learning of object detectors in images is presented. In the proposed approach, a variation of multiple instance learning (MIL) technique for automatically annotating object locations in weakly labelled data is presented which, unlike existing approaches, uses inter-class and intra-class cue fusion to obtain the initial annotation. The initial annotation is then used to start an iterative process in which standard object detectors are used to refine the location annotation. Finally, to ensure that the iterative training of detectors do not drift from the object of interest, a scheme for detecting model drift is also presented. Furthermore, unlike most other methods, our weakly supervised approach is evaluated on data without manual pose (object orientation) annotation. Second, an analysis of the initial annotation of objects, using inter-class and intra-class cues, is carried out. From the analysis, a new method based on negative mining (NegMine) is presented for the initial annotation of both object and action data. The NegMine based approach is a much simpler formulation using only inter-class measure and requires no complex combinatorial optimisation but can still meet or outperform existing approaches including the previously pre3 sented inter-intra class cue fusion approach. Furthermore, NegMine can be fused with existing approaches to boost their performance. Finally, the thesis will take a step back and look at the use of generic object detectors as prior knowledge in weakly supervised learning of object detectors. These generic object detectors are typically based on sampling saliency maps that indicate if a pixel belongs to the background or foreground. A new approach to generating saliency maps is presented that, unlike existing approaches, looks beyond the current image of interest and into images similar to the current image. We show that our generic object proposal method can be used by itself to annotate the weakly labelled object data with surprisingly high accuracy

Digital Image Access & Retrieval

The 33th Annual Clinic on Library Applications of Data Processing, held at the University of Illinois at Urbana-Champaign in March of 1996, addressed the theme of "Digital Image Access & Retrieval." The papers from this conference cover a wide range of topics concerning digital imaging technology for visual resource collections. Papers covered three general areas: (1) systems, planning, and implementation; (2) automatic and semi-automatic indexing; and (3) preservation with the bulk of the conference focusing on indexing and retrieval.published or submitted for publicatio

Optical techniques for 3D surface reconstruction in computer-assisted laparoscopic surgery

One of the main challenges for computer-assisted surgery (CAS) is to determine the intra-opera- tive morphology and motion of soft-tissues. This information is prerequisite to the registration of multi-modal patient-specific data for enhancing the surgeon’s navigation capabilites by observ- ing beyond exposed tissue surfaces and for providing intelligent control of robotic-assisted in- struments. In minimally invasive surgery (MIS), optical techniques are an increasingly attractive approach for in vivo 3D reconstruction of the soft-tissue surface geometry. This paper reviews the state-of-the-art methods for optical intra-operative 3D reconstruction in laparoscopic surgery and discusses the technical challenges and future perspectives towards clinical translation. With the recent paradigm shift of surgical practice towards MIS and new developments in 3D opti- cal imaging, this is a timely discussion about technologies that could facilitate complex CAS procedures in dynamic and deformable anatomical regions

Multi modal multi-semantic image retrieval

PhDThe rapid growth in the volume of visual information, e.g. image, and video can overwhelm users’ ability to find and access the specific visual information of interest to them. In recent years, ontology knowledge-based (KB) image information retrieval techniques have been adopted into in order to attempt to extract knowledge from these images, enhancing the retrieval performance. A KB framework is presented to promote semi-automatic annotation and semantic image retrieval using multimodal cues (visual features and text captions). In addition, a hierarchical structure for the KB allows metadata to be shared that supports multi-semantics (polysemy) for concepts. The framework builds up an effective knowledge base pertaining to a domain specific image collection, e.g. sports, and is able to disambiguate and assign high level semantics to ‘unannotated’ images. Local feature analysis of visual content, namely using Scale Invariant Feature Transform (SIFT) descriptors, have been deployed in the ‘Bag of Visual Words’ model (BVW) as an effective method to represent visual content information and to enhance its classification and retrieval. Local features are more useful than global features, e.g. colour, shape or texture, as they are invariant to image scale, orientation and camera angle. An innovative approach is proposed for the representation, annotation and retrieval of visual content using a hybrid technique based upon the use of an unstructured visual word and upon a (structured) hierarchical ontology KB model. The structural model facilitates the disambiguation of unstructured visual words and a more effective classification of visual content, compared to a vector space model, through exploiting local conceptual structures and their relationships. The key contributions of this framework in using local features for image representation include: first, a method to generate visual words using the semantic local adaptive clustering (SLAC) algorithm which takes term weight and spatial locations of keypoints into account. Consequently, the semantic information is preserved. Second a technique is used to detect the domain specific ‘non-informative visual words’ which are ineffective at representing the content of visual data and degrade its categorisation ability. Third, a method to combine an ontology model with xi a visual word model to resolve synonym (visual heterogeneity) and polysemy problems, is proposed. The experimental results show that this approach can discover semantically meaningful visual content descriptions and recognise specific events, e.g., sports events, depicted in images efficiently. Since discovering the semantics of an image is an extremely challenging problem, one promising approach to enhance visual content interpretation is to use any associated textual information that accompanies an image, as a cue to predict the meaning of an image, by transforming this textual information into a structured annotation for an image e.g. using XML, RDF, OWL or MPEG-7. Although, text and image are distinct types of information representation and modality, there are some strong, invariant, implicit, connections between images and any accompanying text information. Semantic analysis of image captions can be used by image retrieval systems to retrieve selected images more precisely. To do this, a Natural Language Processing (NLP) is exploited firstly in order to extract concepts from image captions. Next, an ontology-based knowledge model is deployed in order to resolve natural language ambiguities. To deal with the accompanying text information, two methods to extract knowledge from textual information have been proposed. First, metadata can be extracted automatically from text captions and restructured with respect to a semantic model. Second, the use of LSI in relation to a domain-specific ontology-based knowledge model enables the combined framework to tolerate ambiguities and variations (incompleteness) of metadata. The use of the ontology-based knowledge model allows the system to find indirectly relevant concepts in image captions and thus leverage these to represent the semantics of images at a higher level. Experimental results show that the proposed framework significantly enhances image retrieval and leads to narrowing of the semantic gap between lower level machinederived and higher level human-understandable conceptualisation