Human machine collaboration for foreground segmentation in images and videos

Foreground segmentation is defined as the problem of generating pixel level foreground masks for all the objects in a given image or video. Accurate foreground segmentations in images and videos have several potential applications such as improving search, training richer object detectors, image synthesis and re-targeting, scene and activity understanding, video summarization, and post-production video editing. One effective way to solve this problem is human-machine collaboration. The main idea is to let humans guide the segmentation process through some partial supervision. As humans, we are extremely good at perception and can easily identify the foreground regions. Computers, on the other hand, lack this capability, but are extremely good at continuously processing large volumes of data at the lowest level of detail with great efficiency. Bringing these complementary strengths together can lead to systems which are accurate and cost-effective at the same time. However, in any such human-machine collaboration system, cost effectiveness and higher accuracy are competing goals. While more involvement from humans can certainly lead to higher accuracy, it also leads to increased cost both in terms of time and money. On the other hand, relying more on machines is cost-effective, but algorithms are still nowhere near human-level performance. Balancing this cost versus accuracy trade-off holds the key behind success for such a hybrid system. In this thesis, I develop foreground segmentation algorithms which effectively and efficiently make use of human guidance for accurately segmenting foreground objects in images and videos. The algorithms developed in this thesis actively reason about the best modalities or interactions through which a user can provide guidance to the system for generating accurate segmentations. At the same time, these algorithms are also capable of prioritizing human guidance on instances where it is most needed. Finally, when structural similarity exists within data (e.g., adjacent frames in a video or similar images in a collection), the algorithms developed in this thesis are capable of propagating information from instances which have received human guidance to the ones which did not. Together, these characteristics result in a substantial savings in human annotation cost while generating high quality foreground segmentations in images and videos. In this thesis, I consider three categories of segmentation problems all of which can greatly benefit from human-machine collaboration. First, I consider the problem of interactive image segmentation. In traditional interactive methods a human annotator provides a coarse spatial annotation (e.g., bounding box or freehand outlines) around the object of interest to obtain a segmentation. The mode of manual annotation used affects both its accuracy and ease-of-use. Whereas existing methods assume a fixed form of input no matter the image, in this thesis I propose a data-driven algorithm which learns whether an interactive segmentation method will succeed if initialized with a given annotation mode. This allows us to predict the modality that will be sufficiently strong to yield a high quality segmentation for a given image and results in large savings in annotation costs. I also propose a novel interactive segmentation algorithm called Click Carving which can accurately segment objects in images and videos using a very simple form of human interaction---point clicks. It outperforms several state-of-the-art methods and requires only a fraction of human effort in comparison. Second, I consider the problem of segmenting images in a weakly supervised image collection. Here, we are given a collection of images all belonging to the same object category and the goal is to jointly segment the common object from all the images. For this, I develop a stagewise active approach to segmentation propagation: in each stage, the images that appear most valuable for human annotation are actively determined and labeled by human annotators, then the foreground estimates are revised in all unlabeled images accordingly. In order to identify images that, once annotated, will propagate well to other examples, I introduce an active selection procedure that operates on the joint segmentation graph over all images. It prioritizes human intervention for those images that are uncertain and influential in the graph, while also mutually diverse. Building on this, I also introduce the problem of measuring compatibility between image pairs for joint segmentation. I show that restricting the joint segmentation to only compatible image pairs results in an improved joint segmentation performance. Finally, I propose a semi-supervised approach for segmentation propagation in video. Given human supervision in some frames of a video, this information can be propagated through time. The main challenge is that the foreground object may move quickly in the scene at the same time its appearance and shape evolves over time. To address this, I propose a higher order supervoxel label consistency potential which leverages bottom-up supervoxels to enforce long-range temporal consistency during propagation. I also introduce the notion of a generic pixel-level objectness in images and videos by training a deep neural network which uses appearance and motion to automatically assign a score to each pixel capturing its likelihood to be an "object" or "background". I show that the human guidance in the semi-supervised propagation algorithm can be further augmented with the generic pixel-objectness scores to obtain an even more accurate foreground segmentation in videos. Throughout, I provide extensive evaluation on challenging datasets and also compare with many state-of-the-art methods and other baselines validating the strengths of proposed algorithms. The outcomes across several different experiments show that the proposed human-machine collaboration algorithms achieve accurate segmentation of foreground objects in images and videos while saving a large amount of human annotation effort.Computer Science

An Outlook into the Future of Egocentric Vision

What will the future be? We wonder! In this survey, we explore the gap between current research in egocentric vision and the ever-anticipated future, where wearable computing, with outward facing cameras and digital overlays, is expected to be integrated in our every day lives. To understand this gap, the article starts by envisaging the future through character-based stories, showcasing through examples the limitations of current technology. We then provide a mapping between this future and previously defined research tasks. For each task, we survey its seminal works, current state-of-the-art methodologies and available datasets, then reflect on shortcomings that limit its applicability to future research. Note that this survey focuses on software models for egocentric vision, independent of any specific hardware. The paper concludes with recommendations for areas of immediate explorations so as to unlock our path to the future always-on, personalised and life-enhancing egocentric vision.Comment: We invite comments, suggestions and corrections here: https://openreview.net/forum?id=V3974SUk1

Understanding Video Transformers for Segmentation: A Survey of Application and Interpretability

Video segmentation encompasses a wide range of categories of problem formulation, e.g., object, scene, actor-action and multimodal video segmentation, for delineating task-specific scene components with pixel-level masks. Recently, approaches in this research area shifted from concentrating on ConvNet-based to transformer-based models. In addition, various interpretability approaches have appeared for transformer models and video temporal dynamics, motivated by the growing interest in basic scientific understanding, model diagnostics and societal implications of real-world deployment. Previous surveys mainly focused on ConvNet models on a subset of video segmentation tasks or transformers for classification tasks. Moreover, component-wise discussion of transformer-based video segmentation models has not yet received due focus. In addition, previous reviews of interpretability methods focused on transformers for classification, while analysis of video temporal dynamics modelling capabilities of video models received less attention. In this survey, we address the above with a thorough discussion of various categories of video segmentation, a component-wise discussion of the state-of-the-art transformer-based models, and a review of related interpretability methods. We first present an introduction to the different video segmentation task categories, their objectives, specific challenges and benchmark datasets. Next, we provide a component-wise review of recent transformer-based models and document the state of the art on different video segmentation tasks. Subsequently, we discuss post-hoc and ante-hoc interpretability methods for transformer models and interpretability methods for understanding the role of the temporal dimension in video models. Finally, we conclude our discussion with future research directions

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