Image-set, Temporal and Spatiotemporal Representations of Videos for Recognizing, Localizing and Quantifying Actions

This dissertation addresses the problem of learning video representations, which is defined here as transforming the video so that its essential structure is made more visible or accessible for action recognition and quantification. In the literature, a video can be represented by a set of images, by modeling motion or temporal dynamics, and by a 3D graph with pixels as nodes. This dissertation contributes in proposing a set of models to localize, track, segment, recognize and assess actions such as (1) image-set models via aggregating subset features given by regularizing normalized CNNs, (2) image-set models via inter-frame principal recovery and sparsely coding residual actions, (3) temporally local models with spatially global motion estimated by robust feature matching and local motion estimated by action detection with motion model added, (4) spatiotemporal models 3D graph and 3D CNN to model time as a space dimension, (5) supervised hashing by jointly learning embedding and quantization, respectively. State-of-the-art performances are achieved for tasks such as quantifying facial pain and human diving. Primary conclusions of this dissertation are categorized as follows: (i) Image set can capture facial actions that are about collective representation; (ii) Sparse and low-rank representations can have the expression, identity and pose cues untangled and can be learned via an image-set model and also a linear model; (iii) Norm is related with recognizability; similarity metrics and loss functions matter; (v) Combining the MIL based boosting tracker with the Particle Filter motion model induces a good trade-off between the appearance similarity and motion consistence; (iv) Segmenting object locally makes it amenable to assign shape priors; it is feasible to learn knowledge such as shape priors online from Web data with weak supervision; (v) It works locally in both space and time to represent videos as 3D graphs; 3D CNNs work effectively when inputted with temporally meaningful clips; (vi) the rich labeled images or videos help to learn better hash functions after learning binary embedded codes than the random projections. In addition, models proposed for videos can be adapted to other sequential images such as volumetric medical images which are not included in this dissertation

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

Pattern Recognition

Pattern recognition is a very wide research field. It involves factors as diverse as sensors, feature extraction, pattern classification, decision fusion, applications and others. The signals processed are commonly one, two or three dimensional, the processing is done in real- time or takes hours and days, some systems look for one narrow object class, others search huge databases for entries with at least a small amount of similarity. No single person can claim expertise across the whole field, which develops rapidly, updates its paradigms and comprehends several philosophical approaches. This book reflects this diversity by presenting a selection of recent developments within the area of pattern recognition and related fields. It covers theoretical advances in classification and feature extraction as well as application-oriented works. Authors of these 25 works present and advocate recent achievements of their research related to the field of pattern recognition

Discriminant quaternion local binary pattern embedding for person re-identification through prototype formation and color categorization

International audienceRe-identifying objects is one of the fundamental elements for visual surveillance, in the sense that images of the same object at different time or places should be assigned with the same label. In this work, we propose a new embedding scheme for person re-identification under nonoverlapping target cameras. Inspired by the prototype approach derived from cognition field, we propose to use prototype images as a reference set to achieve a discriminative representation of a person's appearance. To enhance the discrimination between different persons, we learn a linear subspace in a training phase during which person correspondences are assumed to be known. The robustness of the algorithm against results that are counterintuitive to a human operator is improved by proposing the Color Categorization procedure. By doing so, our method becomes very flexible when tracing a person in a camera network even under large illumination changes. The proposed framework was tested on VIPeR, the most challenging dataset for person re-identification. Results confirm that our method outperforms the state of the art techniques

Intelligent Sensors for Human Motion Analysis

The book, "Intelligent Sensors for Human Motion Analysis," contains 17 articles published in the Special Issue of the Sensors journal. These articles deal with many aspects related to the analysis of human movement. New techniques and methods for pose estimation, gait recognition, and fall detection have been proposed and verified. Some of them will trigger further research, and some may become the backbone of commercial systems

Exploiting Spatio-Temporal Coherence for Video Object Detection in Robotics

This paper proposes a method to enhance video object detection for indoor environments in robotics. Concretely, it exploits knowledge about the camera motion between frames to propagate previously detected objects to successive frames. The proposal is rooted in the concepts of planar homography to propose regions of interest where to find objects, and recursive Bayesian filtering to integrate observations over time. The proposal is evaluated on six virtual, indoor environments, accounting for the detection of nine object classes over a total of ∼ 7k frames. Results show that our proposal improves the recall and the F1-score by a factor of 1.41 and 1.27, respectively, as well as it achieves a significant reduction of the object categorization entropy (58.8%) when compared to a two-stage video object detection method used as baseline, at the cost of small time overheads (120 ms) and precision loss (0.92).</p

Synthesizing and Editing Photo-realistic Visual Objects

In this thesis we investigate novel methods of synthesizing new images of a deformable visual object using a collection of images of the object. We investigate both parametric and non-parametric methods as well as a combination of the two methods for the problem of image synthesis. Our main focus are complex visual objects, specifically deformable objects and objects with varying numbers of visible parts. We first introduce sketch-driven image synthesis system, which allows the user to draw ellipses and outlines in order to sketch a rough shape of animals as a constraint to the synthesized image. This system interactively provides feedback in the form of ellipse and contour suggestions to the partial sketch of the user. The user's sketch guides the non-parametric synthesis algorithm that blends patches from two exemplar images in a coarse-to-fine fashion to create a final image. We evaluate the method and synthesized images through two user studies. Instead of non-parametric blending of patches, a parametric model of the appearance is more desirable as its appearance representation is shared between all images of the dataset. Hence, we propose Context-Conditioned Component Analysis, a probabilistic generative parametric model, which described images with a linear combination of basis functions. The basis functions are evaluated for each pixel using a context vector computed from the local shape information. We evaluate C-CCA qualitatively and quantitatively on inpainting, appearance transfer and reconstruction tasks. Drawing samples of C-CCA generates novel, globally-coherent images, which, unfortunately, lack high-frequency details due to dimensionality reduction and misalignment. We develop a non-parametric model that enhances the samples of C-CCA with locally-coherent, high-frequency details. The non-parametric model efficiently finds patches from the dataset that match the C-CCA sample and blends the patches together. We analyze the results of the combined method on the datasets of horse and elephant images