BODY SHAPE AND CENTER OF MASS ESTIMATION USING MULTI-VIEW IMAGES

This study presents a method for estimating human 3D body shape in action. We propose a method for estimating 3D human body shape motion that uses multiple view images and visual hulls. Related methods necessitated lengthier preparations, such as camera calibration, which would require several tries before actually capturing the image. We solve this issue by combining state-of-the-art computer vision methods to automatically process the required inputs and parameters, so that camera images are the only resource needed for estimation. In our experiments, we applied our method to a video of human subject kicking a soccer ball to left and right side of a goal; we successfully acquired the subject’s 3D body shape. In addition, we verified that the application’s automatically obtained body shape successfully provides the subject’s center of mass

From Image-based Motion Analysis to Free-Viewpoint Video

The problems of capturing real-world scenes with cameras and automatically analyzing the visible motion have traditionally been in the focus of computer vision research. The photo-realistic rendition of dynamic real-world scenes, on the other hand, is a problem that has been investigated in the field of computer graphics. In this thesis, we demonstrate that the joint solution to all three of these problems enables the creation of powerful new tools that are benecial for both research disciplines. Analysis and rendition of real-world scenes with human actors are amongst the most challenging problems. In this thesis we present new algorithmic recipes to attack them. The dissertation consists of three parts: In part I, we present novel solutions to two fundamental problems of human motion analysis. Firstly, we demonstrate a novel hybrid approach for markerfree human motion capture from multiple video streams. Thereafter, a new algorithm for automatic non-intrusive estimation of kinematic body models of arbitrary moving subjects from video is detailed. In part II of the thesis, we demonstrate that a marker-free motion capture approach makes possible the model-based reconstruction of free-viewpoint videos of human actors from only a handful of video streams. The estimated 3D videos enable the photo-realistic real-time rendition of a dynamic scene from arbitrary novel viewpoints. Texture information from video is not only applied to generate a realistic surface appearance, but also to improve the precision of the motion estimation scheme. The commitment to a generic body model also allows us to reconstruct a time-varying reflectance description of an actor`s body surface which allows us to realistically render the free-viewpoint videos under arbitrary lighting conditions. A novel method to capture high-speed large scale motion using regular still cameras and the principle of multi-exposure photography is described in part III. The fundamental principles underlying the methods in this thesis are not only applicable to humans but to a much larger class of subjects. It is demonstrated that, in conjunction, our proposed algorithmic recipes serve as building blocks for the next generation of immersive 3D visual media.Die Entwicklung neuer Algorithmen zur optischen Erfassung und Analyse der Bewegung in dynamischen Szenen ist einer der Forschungsschwerpunkte in der computergestützten Bildverarbeitung. Während im maschinellen Bildverstehen das Augenmerk auf der Extraktion von Informationen liegt, konzentriert sich die Computergrafik auf das inverse Problem, die fotorealistische Darstellung bewegter Szenen. In jüngster Vergangenheit haben sich die beiden Disziplinen kontinuierlich angenähert, da es eine Vielzahl an herausfordernden wissenschaftlichen Fragestellungen gibt, die eine gemeinsame Lösung des Bilderfassungs-, des Bildanalyse- und des Bildsyntheseproblems verlangen. Zwei der schwierigsten Probleme, welche für Forscher aus beiden Disziplinen eine große Relevanz besitzen, sind die Analyse und die Synthese von dynamischen Szenen, in denen Menschen im Mittelpunkt stehen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren vorgestellt, welche die optische Erfassung dieser Art von Szenen, die automatische Analyse der Bewegungen und die realistische neue Darstellung im Computer erlauben. Es wid deutlich werden, dass eine Integration von Algorithmen zur Lösung dieser drei Probleme in ein Gesamtsystem die Erzeugung völlig neuartiger dreidimensionaler Darstellungen von Menschen in Bewegung ermöglicht. Die Dissertation ist in drei Teile gegliedert: Teil I beginnt mit der Beschreibung des Entwurfs und des Baus eines Studios zur zeitsynchronen Erfassung mehrerer Videobildströme. Die im Studio aufgezeichneten Multivideosequenzen dienen als Eingabedaten für die im Rahmen dieser Dissertation entwickelten videogestützten Bewegunsanalyseverfahren und die Algorithmen zur Erzeugung dreidimensionaler Videos. Im Anschluß daran werden zwei neu entwickelte Verfahren vorgestellt, die Antworten auf zwei fundamentale Fragen in der optischen Erfassung menschlicher Bewegung geben, die Messung von Bewegungsparametern und die Erzeugung von kinematischen Skelettmodellen. Das erste Verfahren ist ein hybrider Algorithmus zur markierungslosen optischen Messung von Bewegunsgparametern aus Multivideodaten. Der Verzicht auf optische Markierungen wird dadurch ermöglicht, dass zur Bewegungsanalyse sowohl aus den Bilddaten rekonstruierte Volumenmodelle als auch leicht zu erfassende Körpermerkmale verwendet werden. Das zweite Verfahren dient der automatischen Rekonstruktion eines kinematischen Skelettmodells anhand von Multivideodaten. Der Algorithmus benötigt weder optischen Markierungen in der Szene noch a priori Informationen über die Körperstruktur, und ist in gleicher Form auf Menschen, Tiere und Objekte anwendbar. Das Thema das zweiten Teils dieser Arbeit ist ein modellbasiertes Verfahrenzur Rekonstruktion dreidimensionaler Videos von Menschen in Bewegung aus nur wenigen zeitsynchronen Videoströmen. Der Betrachter kann die errechneten 3D Videos auf einem Computer in Echtzeit abspielen und dabei interaktiv einen beliebigen virtuellen Blickpunkt auf die Geschehnisse einnehmen. Im Zentrum unseres Ansatzes steht ein silhouettenbasierter Analyse-durch-Synthese Algorithmus, der es ermöglicht, ohne optische Markierungen sowohl die Form als auch die Bewegung eines Menschen zu erfassen. Durch die Berechnung zeitveränderlicher Oberächentexturen aus den Videodaten ist gewährleistet, dass eine Person aus jedem beliebigen Blickwinkel ein fotorealistisches Erscheinungsbild besitzt. In einer ersten algorithmischen Erweiterung wird gezeigt, dass die Texturinformation auch zur Verbesserung der Genauigkeit der Bewegunsgssch ätzung eingesetzt werden kann. Zudem ist es durch die Verwendung eines generischen Körpermodells möglich, nicht nur dynamische Texturen sondern sogar dynamische Reektionseigenschaften der Körperoberäche zu messen. Unser Reektionsmodell besteht aus einer parametrischen BRDF für jeden Texel und einer dynamischen Normalenkarte für die gesamte Körperoberäche. Auf diese Weise können 3D Videos auch unter völlig neuen simulierten Beleuchtungsbedingungen realistisch wiedergegeben werden. Teil III dieser Arbeit beschreibt ein neuartiges Verfahren zur optischen Messung sehr schneller Bewegungen. Bisher erforderten optische Aufnahmen von Hochgeschwindigkeitsbewegungen sehr teure Spezialkameras mit hohen Bildraten. Im Gegensatz dazu verwendet die hier beschriebene Methode einfache Digitalfotokameras und das Prinzip der Multiblitzfotograe. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe dieses Verfahrens sowohl die sehr schnelle artikulierte Handbewegung des Werfers als auch die Flugparameter des Balls während eines Baseballpitches gemessen werden können. Die hochgenau erfaßten Parameter ermöglichen es, die gemessene Bewegung in völlig neuer Weise im Computer zu visualisieren. Obgleich die in dieser Dissertation vorgestellten Verfahren vornehmlich der Analyse und Darstellung menschlicher Bewegungen dienen, sind die grundlegenden Prinzipien auch auf viele anderen Szenen anwendbar. Jeder der beschriebenen Algorithmen löst zwar in erster Linie ein bestimmtes Teilproblem, aber in Ihrer Gesamtheit können die Verfahren als Bausteine verstanden werden, welche die nächste Generation interaktiver dreidimensionaler Medien ermöglichen werden

Information selection and fusion in vision systems

Handling the enormous amounts of data produced by data-intensive imaging systems, such as multi-camera surveillance systems and microscopes, is technically challenging. While image and video compression help to manage the data volumes, they do not address the basic problem of information overflow. In this PhD we tackle the problem in a more drastic way. We select information of interest to a specific vision task, and discard the rest. We also combine data from different sources into a single output product, which presents the information of interest to end users in a suitable, summarized format. We treat two types of vision systems. The first type is conventional light microscopes. During this PhD, we have exploited for the first time the potential of the curvelet transform for image fusion for depth-of-field extension, allowing us to combine the advantages of multi-resolution image analysis for image fusion with increased directional sensitivity. As a result, the proposed technique clearly outperforms state-of-the-art methods, both on real microscopy data and on artificially generated images. The second type is camera networks with overlapping fields of view. To enable joint processing in such networks, inter-camera communication is essential. Because of infrastructure costs, power consumption for wireless transmission, etc., transmitting high-bandwidth video streams between cameras should be avoided. Fortunately, recently designed 'smart cameras', which have on-board processing and communication hardware, allow distributing the required image processing over the cameras. This permits compactly representing useful information from each camera. We focus on representing information for people localization and observation, which are important tools for statistical analysis of room usage, quick localization of people in case of building fires, etc. To further save bandwidth, we select which cameras should be involved in a vision task and transmit observations only from the selected cameras. We provide an information-theoretically founded framework for general purpose camera selection based on the Dempster-Shafer theory of evidence. Applied to tracking, it allows tracking people using a dynamic selection of as little as three cameras with the same accuracy as when using up to ten cameras

Sensor fusion in smart camera networks for ambient intelligence

This short report introduces the topics of PhD research that was conducted on 2008-2013 and was defended on July 2013. The PhD thesis covers sensor fusion theory, gathers it into a framework with design rules for fusion-friendly design of vision networks, and elaborates on the rules through fusion experiments performed with four distinct applications of Ambient Intelligence

Multi-camera reconstruction and rendering for free-viewpoint video

While virtual environments in interactive entertainment become more and more lifelike and sophisticated, traditional media like television and video have not yet embraced the new possibilities provided by the rapidly advancing processing power. In particular, they remain as non-interactive as ever, and do not allow the viewer to change the camera perspective to his liking. The goal of this work is to advance in this direction, and provide essential ingredients for a free-viewpoint video system, where the viewpoint can be chosen interactively during playback. Knowledge of scene geometry is required to synthesize novel views. Therefore, we describe 3D reconstruction methods for two distinct kinds of camera setups. The first one is depth reconstruction for camera arrays with parallel optical axes, the second one surface reconstruction, in the case that the cameras are distributed around the scene. Another vital part of a 3D video system is the interactive rendering from different viewpoints, which has to perform in real-time. We cover this topic in the last part of this thesis.Während die virtuellen Welten in interaktiven Unterhaltungsmedien immer realitätsnäher werden, machen traditionellere Medien wie Fernsehen und Video von den neuen Möglichkeiten der rasant wachsenden Rechenkapazität bisher kaum Gebrauch. Insbesondere mangelt es ihnen immer noch an Interaktivität, und sie erlauben dem Konsumenten nicht, elementare Parameter wie zum Beispiel die Kameraperspektive seinen Wünschen anzupassen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Entwicklung in diese Richtung voranzubringen und essentielle Bausteine für ein Videosystem bereitzustellen, bei dem der Blickpunkt während der Wiedergabe jederzeit völlig frei gewählt werden kann. Um neue Ansichten synthetisieren zu können, ist zunächst Kenntnis von der 3D Geometrie der Szene notwendig. Wir entwickeln daher Rekonstruktionsalgorithmen für zwei verschiedene Anordnungen von Kameras. Falls die Kameras eng beieinanderliegen und parallele optische Achsen haben, können lediglich Tiefenkarten geschätzt werden. Sind die Kameras jedoch im einer Halbkugel um die Szene herum montiert, so rekonstruieren wir sogar echte Oberflächengeometrie. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die interaktive Darstellung der Szene aus neuen Blickwinkeln, die wir im letzten Teil der Arbeit in Angriff nehmen

Multi-camera cooperative scene interpretation

In our society, video processing has become a convenient and widely used tool to assist, protect and simplify the daily life of people in areas such as surveillance and video conferencing. The growing number of cameras, the handling and analysis of these vast amounts of video data enable the development of multi-camera applications that cooperatively use multiple sensors. In many applications, bandwidth constraints, privacy issues, and difficulties in storing and analyzing large amounts of video data make applications costly and technically challenging. In this thesis, we deploy techniques ranging from low-level to high-level approaches, specifically designed for multi-camera networks. As a low-level approach, we designed a novel low-level foreground detection algorithm for real-time tracking applications, concentrating on difficult and changing illumination conditions. The main part of this dissertation focuses on a detailed analysis of two novel state-of-the-art real-time tracking approaches: a multi-camera tracking approach based on occupancy maps and a distributed multi-camera tracking approach with a feedback loop. As a high-level application we propose an approach to understand the dynamics in meetings - so called, smart meetings - using a multi-camera setup, consisting of fixed ambient and portable close-up cameras. For all method, we provided qualitative and quantitative results on several experiments, compared to state-of-the-art methods

Human Pose Estimation with Supervoxels

This thesis investigates how segmentation as a preprocessing step can reduce both the search space as well as complexity of human pose estimation in the context of smart environments. A 3D reconstruction is computed with a voxel carving algorithm. Based on a superpixel algorithm, these voxels are segmented into supervoxels that are then applied to pictorial structures in 3D to efficiently estimate the human pose. Both static and dynamic gesture recognition applications were developed

Reconstruction and analysis of dynamic shapes

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2010.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 122-141).Motion capture has revolutionized entertainment and influenced fields as diverse as the arts, sports, and medicine. This is despite the limitation that it tracks only a small set of surface points. On the other hand, 3D scanning techniques digitize complete surfaces of static objects, but are not applicable to moving shapes. I present methods that overcome both limitations, and can obtain the moving geometry of dynamic shapes (such as people and clothes in motion) and analyze it in order to advance computer animation. Further understanding of dynamic shapes will enable various industries to enhance virtual characters, advance robot locomotion, improve sports performance, and aid in medical rehabilitation, thus directly affecting our daily lives. My methods efficiently recover much of the expressiveness of dynamic shapes from the silhouettes alone. Furthermore, the reconstruction quality is greatly improved by including surface orientations (normals). In order to make reconstruction more practical, I strive to capture dynamic shapes in their natural environment, which I do by using hybrid inertial and acoustic sensors. After capture, the reconstructed dynamic shapes are analyzed in order to enhance their utility. My algorithms then allow animators to generate novel motions, such as transferring facial performances from one actor onto another using multi-linear models. The presented research provides some of the first and most accurate reconstructions of complex moving surfaces, and is among the few approaches that establish a relationship between different dynamic shapes.by Daniel Vlasic.Ph.D

A study on Analysis and Utilization of Crowd-sourced Spatio-temporal Contexts from Social Media

兵庫県立大学大学院201