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Human activity recognition using a wearable camera
Tesi en modalitat cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Queen Mary, University of London.
This PhD Thesis has been developed in the framework of, and according to, the rules of the Erasmus Mundus Joint Doctorate on Interactive and Cognitive Environments EMJD ICE [FPA n° 2010-0012]Advances in wearable technologies are facilitating the understanding of human activities using first-person vision (FPV) for a wide range of assistive applications. In this thesis, we propose robust multiple motion features for human activity recognition from first person videos. The proposed features encode discriminant characteristics form magnitude, direction and dynamics of motion estimated using optical flow. M:>reover, we design novel virtual-inertial features from video, without using the actual inertial sensor, from the movement of intensity centroid across frames. Results on multiple datasets demonstrate that centroid-based inertial features improve the recognition performance of grid-based features.
Moreover, we propose a multi-layer modelling framework that encodes hierarchical and temporal relationships among activities. The first layer operates on groups of features that effectively encode motion dynamics and temporal variaitons of intra-frame appearance descriptors of activities with a hierarchical topology. The second layer exploits the temporal context by weighting the outputs of the hierarchy during modelling. In addition, a post-decoding smoothing technique utilises decisions on past samples based on the confidence of the current sample. We validate the proposed framework with several classi fiers, and the temporal modelling is shown to improve recognition performance.
We also investigate the use of deep networks to simplify the feature engineering from first-person videos. We propose a stacking of spectrograms to represent short-term global motions that contains a frequency-time representation of multiplemotion components. This enables us to apply 2D convolutions to extract/learn motion features. We employ long short-term memory recurrent network to encode long-term temporal dependency among activiites. Furthermore, we apply cross-domain knowledge transfer between inertial based and vision-based approaches for egocentric activity recognition. We propose sparsity weightedcombination of information from different motion modalities and/or streams . Results show that the proposed approach performs competitively with existing deep frameworks, moreover, with reduced complexity.Los avances en tecnologÃas wearables facilitan la comprensión de actividades humanas utilizando cuando se usan videos grabados en primera persona para una amplia gama de aplicaciones. En esta tesis, proponemos caracterÃsticas robustas de movimiento para el reconocimiento de actividades humana a partir de videos en primera persona. Las caracterÃsticas propuestas codifican caracterÃsticas discriminativas estimadas a partir de optical flow como magnitud, dirección y dinámica de movimiento. Además, diseñamos nuevas caracterÃsticas de inercia virtual a partir de video, sin usar sensores inerciales, utilizando el movimiento del centroide de intensidad a través de los fotogramas. Los resultados obtenidos en múltiples bases de datos demuestran que las caracterÃsticas inerciales basadas en centroides mejoran el rendimiento de reconocimiento en comparación con grid-based caracterÃsticas. Además, proponemos un algoritmo multicapa que codifica las relaciones jerárquicas y temporales entre actividades. La primera capa opera en grupos de caracterÃsticas que codifican eficazmente las dinámicas del movimiento y las variaciones temporales de caracterÃsticas de apariencia entre múltiples fotogramas utilizando una jerarquÃa. La segunda capa aprovecha el contexto temporal ponderando las salidas de la jerarquÃa durante el modelado. Además, diseñamos una técnica de postprocesado para filtrar las decisiones utilizando estimaciones pasadas y la confianza de la estimación actual. Validamos el algoritmo propuesto utilizando varios clasificadores. El modelado temporal muestra una mejora del rendimiento en el reconocimiento de actividades. También investigamos el uso de redes profundas (deep networks) para simplificar el diseño manual de caracterÃsticas a partir de videos en primera persona. Proponemos apilar espectrogramas para representar movimientos globales a corto plazo. Estos espectrogramas contienen una representación espaciotemporal de múltiples componentes de movimiento. Esto nos permite aplicar convoluciones bidimensionales para aprender funciones de movimiento. Empleamos long short-term memory recurrent networks para codificar la dependencia temporal a largo plazo entre las actividades. Además, aplicamos transferencia de conocimiento entre diferentes dominios (cross-domain knowledge) entre enfoques inerciales y basados en la visión para el reconocimiento de la actividad en primera persona. Proponemos una combinación ponderada de información de diferentes modalidades de movimiento y/o secuencias. Los resultados muestran que el algoritmo propuesto obtiene resultados competitivos en comparación con existentes algoritmos basados en deep learning, a la vez que se reduce la complejidad.Postprint (published version
Human activity recognition using a wearable camera
Advances in wearable technologies are facilitating the understanding of human activities using first-person vision (FPV) for a wide range of assistive applications. In this thesis, we propose robust multiple motion features for human activity recognition from first person videos. The proposed features encode discriminant characteristics form magnitude, direction and dynamics of motion estimated using optical flow. M:>reover, we design novel virtual-inertial features from video, without using the actual inertial sensor, from the movement of intensity centroid across frames. Results on multiple datasets demonstrate that centroid-based inertial features improve the recognition performance of grid-based features.
Moreover, we propose a multi-layer modelling framework that encodes hierarchical and temporal relationships among activities. The first layer operates on groups of features that effectively encode motion dynamics and temporal variaitons of intra-frame appearance descriptors of activities with a hierarchical topology. The second layer exploits the temporal context by weighting the outputs of the hierarchy during modelling. In addition, a post-decoding smoothing technique utilises decisions on past samples based on the confidence of the current sample. We validate the proposed framework with several classi fiers, and the temporal modelling is shown to improve recognition performance.
We also investigate the use of deep networks to simplify the feature engineering from first-person videos. We propose a stacking of spectrograms to represent short-term global motions that contains a frequency-time representation of multiplemotion components. This enables us to apply 2D convolutions to extract/learn motion features. We employ long short-term memory recurrent network to encode long-term temporal dependency among activiites. Furthermore, we apply cross-domain knowledge transfer between inertial based and vision-based approaches for egocentric activity recognition. We propose sparsity weightedcombination of information from different motion modalities and/or streams . Results show that the proposed approach performs competitively with existing deep frameworks, moreover, with reduced complexity.Los avances en tecnologÃas wearables facilitan la comprensión de actividades humanas utilizando cuando se usan videos grabados en primera persona para una amplia gama de aplicaciones. En esta tesis, proponemos caracterÃsticas robustas de movimiento para el reconocimiento de actividades humana a partir de videos en primera persona. Las caracterÃsticas propuestas codifican caracterÃsticas discriminativas estimadas a partir de optical flow como magnitud, dirección y dinámica de movimiento. Además, diseñamos nuevas caracterÃsticas de inercia virtual a partir de video, sin usar sensores inerciales, utilizando el movimiento del centroide de intensidad a través de los fotogramas. Los resultados obtenidos en múltiples bases de datos demuestran que las caracterÃsticas inerciales basadas en centroides mejoran el rendimiento de reconocimiento en comparación con grid-based caracterÃsticas. Además, proponemos un algoritmo multicapa que codifica las relaciones jerárquicas y temporales entre actividades. La primera capa opera en grupos de caracterÃsticas que codifican eficazmente las dinámicas del movimiento y las variaciones temporales de caracterÃsticas de apariencia entre múltiples fotogramas utilizando una jerarquÃa. La segunda capa aprovecha el contexto temporal ponderando las salidas de la jerarquÃa durante el modelado. Además, diseñamos una técnica de postprocesado para filtrar las decisiones utilizando estimaciones pasadas y la confianza de la estimación actual. Validamos el algoritmo propuesto utilizando varios clasificadores. El modelado temporal muestra una mejora del rendimiento en el reconocimiento de actividades. También investigamos el uso de redes profundas (deep networks) para simplificar el diseño manual de caracterÃsticas a partir de videos en primera persona. Proponemos apilar espectrogramas para representar movimientos globales a corto plazo. Estos espectrogramas contienen una representación espaciotemporal de múltiples componentes de movimiento. Esto nos permite aplicar convoluciones bidimensionales para aprender funciones de movimiento. Empleamos long short-term memory recurrent networks para codificar la dependencia temporal a largo plazo entre las actividades. Además, aplicamos transferencia de conocimiento entre diferentes dominios (cross-domain knowledge) entre enfoques inerciales y basados en la visión para el reconocimiento de la actividad en primera persona. Proponemos una combinación ponderada de información de diferentes modalidades de movimiento y/o secuencias. Los resultados muestran que el algoritmo propuesto obtiene resultados competitivos en comparación con existentes algoritmos basados en deep learning, a la vez que se reduce la complejidad
Human activity recognition using a wearable camera
Advances in wearable technologies are facilitating the understanding of human activities using first-person vision (FPV) for a wide range of assistive applications. In this thesis, we propose robust multiple motion features for human activity recognition from first person videos. The proposed features encode discriminant characteristics form magnitude, direction and dynamics of motion estimated using optical flow. M:>reover, we design novel virtual-inertial features from video, without using the actual inertial sensor, from the movement of intensity centroid across frames. Results on multiple datasets demonstrate that centroid-based inertial features improve the recognition performance of grid-based features.
Moreover, we propose a multi-layer modelling framework that encodes hierarchical and temporal relationships among activities. The first layer operates on groups of features that effectively encode motion dynamics and temporal variaitons of intra-frame appearance descriptors of activities with a hierarchical topology. The second layer exploits the temporal context by weighting the outputs of the hierarchy during modelling. In addition, a post-decoding smoothing technique utilises decisions on past samples based on the confidence of the current sample. We validate the proposed framework with several classi fiers, and the temporal modelling is shown to improve recognition performance.
We also investigate the use of deep networks to simplify the feature engineering from first-person videos. We propose a stacking of spectrograms to represent short-term global motions that contains a frequency-time representation of multiplemotion components. This enables us to apply 2D convolutions to extract/learn motion features. We employ long short-term memory recurrent network to encode long-term temporal dependency among activiites. Furthermore, we apply cross-domain knowledge transfer between inertial based and vision-based approaches for egocentric activity recognition. We propose sparsity weightedcombination of information from different motion modalities and/or streams . Results show that the proposed approach performs competitively with existing deep frameworks, moreover, with reduced complexity.Los avances en tecnologÃas wearables facilitan la comprensión de actividades humanas utilizando cuando se usan videos grabados en primera persona para una amplia gama de aplicaciones. En esta tesis, proponemos caracterÃsticas robustas de movimiento para el reconocimiento de actividades humana a partir de videos en primera persona. Las caracterÃsticas propuestas codifican caracterÃsticas discriminativas estimadas a partir de optical flow como magnitud, dirección y dinámica de movimiento. Además, diseñamos nuevas caracterÃsticas de inercia virtual a partir de video, sin usar sensores inerciales, utilizando el movimiento del centroide de intensidad a través de los fotogramas. Los resultados obtenidos en múltiples bases de datos demuestran que las caracterÃsticas inerciales basadas en centroides mejoran el rendimiento de reconocimiento en comparación con grid-based caracterÃsticas. Además, proponemos un algoritmo multicapa que codifica las relaciones jerárquicas y temporales entre actividades. La primera capa opera en grupos de caracterÃsticas que codifican eficazmente las dinámicas del movimiento y las variaciones temporales de caracterÃsticas de apariencia entre múltiples fotogramas utilizando una jerarquÃa. La segunda capa aprovecha el contexto temporal ponderando las salidas de la jerarquÃa durante el modelado. Además, diseñamos una técnica de postprocesado para filtrar las decisiones utilizando estimaciones pasadas y la confianza de la estimación actual. Validamos el algoritmo propuesto utilizando varios clasificadores. El modelado temporal muestra una mejora del rendimiento en el reconocimiento de actividades. También investigamos el uso de redes profundas (deep networks) para simplificar el diseño manual de caracterÃsticas a partir de videos en primera persona. Proponemos apilar espectrogramas para representar movimientos globales a corto plazo. Estos espectrogramas contienen una representación espaciotemporal de múltiples componentes de movimiento. Esto nos permite aplicar convoluciones bidimensionales para aprender funciones de movimiento. Empleamos long short-term memory recurrent networks para codificar la dependencia temporal a largo plazo entre las actividades. Además, aplicamos transferencia de conocimiento entre diferentes dominios (cross-domain knowledge) entre enfoques inerciales y basados en la visión para el reconocimiento de la actividad en primera persona. Proponemos una combinación ponderada de información de diferentes modalidades de movimiento y/o secuencias. Los resultados muestran que el algoritmo propuesto obtiene resultados competitivos en comparación con existentes algoritmos basados en deep learning, a la vez que se reduce la complejidad
Unsupervised Understanding of Location and Illumination Changes in Egocentric Videos
Wearable cameras stand out as one of the most promising devices for the
upcoming years, and as a consequence, the demand of computer algorithms to
automatically understand the videos recorded with them is increasing quickly.
An automatic understanding of these videos is not an easy task, and its mobile
nature implies important challenges to be faced, such as the changing light
conditions and the unrestricted locations recorded. This paper proposes an
unsupervised strategy based on global features and manifold learning to endow
wearable cameras with contextual information regarding the light conditions and
the location captured. Results show that non-linear manifold methods can
capture contextual patterns from global features without compromising large
computational resources. The proposed strategy is used, as an application case,
as a switching mechanism to improve the hand-detection problem in egocentric
videos.Comment: Submitted for publicatio
Real-Time Human Motion Capture with Multiple Depth Cameras
Commonly used human motion capture systems require intrusive attachment of
markers that are visually tracked with multiple cameras. In this work we
present an efficient and inexpensive solution to markerless motion capture
using only a few Kinect sensors. Unlike the previous work on 3d pose estimation
using a single depth camera, we relax constraints on the camera location and do
not assume a co-operative user. We apply recent image segmentation techniques
to depth images and use curriculum learning to train our system on purely
synthetic data. Our method accurately localizes body parts without requiring an
explicit shape model. The body joint locations are then recovered by combining
evidence from multiple views in real-time. We also introduce a dataset of ~6
million synthetic depth frames for pose estimation from multiple cameras and
exceed state-of-the-art results on the Berkeley MHAD dataset.Comment: Accepted to computer robot vision 201
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