The Discriminative Generalized Hough Transform for Localization of Highly Variable Objects and its Application for Surveillance Recordings

This work is about the localization of arbitrary objects in 2D images in general and the localization of persons in video surveillance recordings in particular. More precisely, it is about localizing specific landmarks. Thereby the possibilities and limitations of localization approaches based on the Generalized Hough Transform (GHT), especially of the Discriminative Generalized Hough Transform (DGHT) will be evaluated. GHT-based approaches determine the number of matching model and feature points and the most likely target point position is given by the highest number of matching model and feature points. Additionally, the DGHT comprises a statistical learning approach to generate optimal DGHT-models achieving good results on medical images. This work will show that the DGHT is not restricted to medical tasks but has issues with large target object variabilities, which are frequent in video surveillance tasks. As all GHT-based approaches also the DGHT only considers the number of matching model-feature-point-combinations, which means that all model points are treated independently. This work will show that model points are not independent of each other and considering them independently will result in high error rates. This drawback is analyzed and a universal solution, which is not only applicable for the DGHT but all GHT-based approaches, is presented. This solution is based on an additional classifier that takes the whole set of matching model-feature-point-combinations into account to estimate a confidence score. On all tested databases, this approach could reduce the error rates drastically by up to 94.9%. Furthermore, this work presents a general approach for combining multiple GHT-models into a deeper model. This can be used to combine the localization results of different object landmarks such as mouth, nose, and eyes. Similar to Convolutional Neural Networks (CNNs) this will split the target object variability into multiple and smaller variabilities. A comparison of GHT-based approaches with CNNs and a description of the advantages, disadvantages, and potential application of both approaches will conclude this work.Diese Arbeit beschäftigt sich im Allgemeinen mit der Lokalisierung von Objekten in 2D Bilddaten und im Speziellen mit der Lokalisierung von Personen in Videoüberwachungsaufnahmen. Genauer gesagt handelt es sich hierbei um die Lokalisierung spezieller Landmarken. Dabei werden die Möglichkeiten und Limiterungen von Lokalisierungsverfahren basierend auf der Generalisierten Hough Transformation (GHT) untersucht, insbesondere die der Diskriminativen Generalisierten Hough Transformation (DGHT). Bei GHT-basierten Ansätze wird die Anzahl an übereinstimmenden Modelpunkten und Merkmalspunkten ermittelt und die wahrscheinlicheste Objekt-Position ergibt sich aus der höchsten Anzahl an übereinstimmenden Model- und Merkmalspunkte. Die DGHT umfasst darüber hinaus noch ein statistisches Lernverfahren, um optimale DGHT-Modele zu erzeugen und erzielte damit auf medizinischen Bilder und Anwendungen sehr gute Erfolge. Wie sich in dieser Arbeit zeigen wird, ist die DGHT nicht auf medizinische Anwendungen beschränkt, hat allerdings Schwierigkeiten große Variabilität der Ziel-Objekte abzudecken, wie sie in Überwachungsszenarien zu erwarten sind. Genau wie alle GHT-basierten Ansätze leidet auch die DGHT unter dem Problem, dass lediglich die Anzahl an übereinstimmenden Model- und Merkmalspunkten ermittelt wird, was bedeutet, dass alle Modelpunkte unabhängig voneinander betrachtet werden. Dass Modelpunkte nicht unabhängig voneinander sind, wird im Laufe dieser Arbeit gezeigt werden, und die unabhängige Betrachtung führt gerade bei sehr variablen Zielobjekten zu einer hohen Fehlerrate. Dieses Problem wird in dieser Arbeit grundlegend untersucht und ein allgemeiner Lösungsansatz vorgestellt, welcher nicht nur für die DGHT sondern grundsätzlich für alle GHT-basierten Verfahren Anwendung finden kann. Die Lösung basiert auf der Integration eines zusätzlichen Klassifikators, welcher die gesamte Menge an übereinstimmenden Model- und Merkmalspunkten betrachtet und anhand dessen ein zusätzliches Konfidenzmaß vergibt. Dadurch konnte auf allen getesteten Datenbanken eine deutliche Reduktion der Fehlerrate erzielt werden von bis zu 94.9%. Darüber hinaus umfasst die Arbeit einen generellen Ansatz zur Kombination mehrere GHT-Model in einem tieferen Model. Dies kann dazu verwendet werden, um die Lokalisierungsergebnisse verschiedener Objekt-Landmarken zu kombinieren, z. B. die von Mund, Nase und Augen. Ähnlich wie auch bei Convolutional Neural Networks (CNNs) ist es damit möglich über mehrere Ebenen unterschiedliche Bereiche zu lokalisieren und somit die Variabilität des Zielobjektes in mehrere, leichter zu handhabenden Variabilitäten aufzuspalten. Abgeschlossen wird die Arbeit durch einen Vergleich von GHT-basierten Ansätzen mit CNNs und einer Beschreibung der Vor- und Nachteile und mögliche Einsatzfelder beider Verfahren

Addressing subjectivity in the classification of palaeoenvironmental remains with supervised deep learning convolutional neural networks

Archaeological object identifications have been traditionally undertaken through a comparative methodology where each artefact is identified through a subjective, interpretative act by a professional. Regarding palaeoenvironmental remains, this comparative methodology is given boundaries by using reference materials and codified sets of rules, but subjectivity is nevertheless present. The problem with this traditional archaeological methodology is that higher level of subjectivity in the identification of artefacts leads to inaccuracies, which then increases the potential for Type I and Type II errors in the testing of hypotheses. Reducing the subjectivity of archaeological identifications would improve the statistical power of archaeological analyses, which would subsequently lead to more impactful research. In this thesis, it is shown that the level of subjectivity in palaeoenvironmental research can be reduced by applying deep learning convolutional neural networks within an image recognition framework. The primary aim of the presented research is therefore to further the on-going paradigm shift in archaeology towards model-based object identifications, particularly within the realm of palaeoenvironmental remains. Although this thesis focuses on the identification of pollen grains and animal bones, with the latter being restricted to the astragalus of sheep and goats, there are wider implications for archaeology as these methods can easily be extended beyond pollen and animal remains. The previously published POLEN23E dataset is used as the pilot study of applying deep learning in pollen grain classification. In contrast, an image dataset of modern bones was compiled for the classification of sheep and goat astragali due to a complete lack of available bone image datasets and a double blind study with inexperienced and experienced zooarchaeologists was performed to have a benchmark to which image recognition models can be compared. In both classification tasks, the presented models outperform all previous formal modelling methods and only the best human analysts match the performance of the deep learning model in the sheep and goat astragalus separation task. Throughout the thesis, there is a specific focus on increasing trust in the models through the visualization of the models’ decision making and avenues of improvements to Grad-CAM are explored. This thesis makes an explicit case for the phasing out of the comparative methods in favour of a formal modelling framework within archaeology, especially in palaeoenvironmental object identification

Virtual Morphology and Evolutionary Morphometrics in the new millenium.

EDITED VOLUME; abstract N/