In-the-wild Facial Expression Recognition in Extreme Poses

In the computer research area, facial expression recognition is a hot research problem. Recent years, the research has moved from the lab environment to in-the-wild circumstances. It is challenging, especially under extreme poses. But current expression detection systems are trying to avoid the pose effects and gain the general applicable ability. In this work, we solve the problem in the opposite approach. We consider the head poses and detect the expressions within special head poses. Our work includes two parts: detect the head pose and group it into one pre-defined head pose class; do facial expression recognize within each pose class. Our experiments show that the recognition results with pose class grouping are much better than that of direct recognition without considering poses. We combine the hand-crafted features, SIFT, LBP and geometric feature, with deep learning feature as the representation of the expressions. The handcrafted features are added into the deep learning framework along with the high level deep learning features. As a comparison, we implement SVM and random forest to as the prediction models. To train and test our methodology, we labeled the face dataset with 6 basic expressions.Comment: Published on ICGIP201

Uma abordagem de agrupamento baseada na técnica de divisão e conquista e floresta de caminhos ótimos

Orientador: Alexandre Xavier FalcãoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: O agrupamento de dados é um dos principais desafios em problemas de Ciência de Dados. Apesar do seu progresso científico em quase um século de existência, algoritmos de agrupamento ainda falham na identificação de grupos (clusters) naturalmente relacionados com a semântica do problema. Ademais, os avanços das tecnologias de aquisição, comunicação, e armazenamento de dados acrescentam desafios cruciais com o aumento considerável de dados, os quais não são tratados pela maioria das técnicas. Essas questões são endereçadas neste trabalho através da proposta de uma abordagem de divisão e conquista para uma técnica de agrupamento única em encontrar um grupo por domo da função de densidade de probabilidade dos dados --- o algoritmo de agrupamento por floresta de caminhos ótimos (OPF - Optimum-Path Forest). Nesta técnica, amostras são interpretadas como nós de um grafo cujos arcos conectam os $k$-vizinhos mais próximos no espaço de características. Os nós são ponderados pela sua densidade de probabilidade e um mapa de conexidade é maximizado de modo que cada máximo da função densidade de probabilidade se torna a raiz de uma árvore de caminhos ótimos (grupo). O melhor valor de $k$ é estimado por otimização em um intervalo de valores dependente da aplicação. O problema com este método é que um número alto de amostras torna o algoritmo inviável, devido ao espaço de memória necessário para armazenar o grafo e o tempo computacional para encontrar o melhor valor de $k$. Visto que as soluções existentes levam a resultados ineficazes, este trabalho revisita o problema através da proposta de uma abordagem de divisão e conquista com dois níveis. No primeiro nível, o conjunto de dados é dividido em subconjuntos (blocos) menores e as amostras pertencentes a cada bloco são agrupadas pelo algoritmo OPF. Em seguida, as amostras representativas de cada grupo (mais especificamente as raízes da floresta de caminhos ótimos) são levadas ao segundo nível, onde elas são agrupadas novamente. Finalmente, os rótulos de grupo obtidos no segundo nível são transferidos para todas as amostras do conjunto de dados através de seus representantes do primeiro nível. Nesta abordagem, todas as amostras, ou pelo menos muitas delas, podem ser usadas no processo de aprendizado não supervisionado, sem afetar a eficácia do agrupamento e, portanto, o procedimento é menos susceptível a perda de informação relevante ao agrupamento. Os resultados mostram agrupamentos satisfatórios em dois cenários, segmentação de imagem e agrupamento de dados arbitrários, tendo como base a comparação com abordagens populares. No primeiro cenário, a abordagem proposta atinge os melhores resultados em todas as bases de imagem testadas. No segundo cenário, os resultados são similares aos obtidos por uma versão otimizada do método original de agrupamento por floresta de caminhos ótimosAbstract: Data clustering is one of the main challenges when solving Data Science problems. Despite its progress over almost one century of research, clustering algorithms still fail in identifying groups naturally related to the semantics of the problem. Moreover, the advances in data acquisition, communication, and storage technologies add crucial challenges with a considerable data increase, which are not handled by most techniques. We address these issues by proposing a divide-and-conquer approach to a clustering technique, which is unique in finding one group per dome of the probability density function of the data --- the Optimum-Path Forest (OPF) clustering algorithm. In the OPF-clustering technique, samples are taken as nodes of a graph whose arcs connect the $k$-nearest neighbors in the feature space. The nodes are weighted by their probability density values and a connectivity map is maximized such that each maximum of the probability density function becomes the root of an optimum-path tree (cluster). The best value of $k$ is estimated by optimization within an application-specific interval of values. The problem with this method is that a high number of samples makes the algorithm prohibitive, due to the required memory space to store the graph and the computational time to obtain the clusters for the best value of $k$. Since the existing solutions lead to ineffective results, we decided to revisit the problem by proposing a two-level divide-and-conquer approach. At the first level, the dataset is divided into smaller subsets (blocks) and the samples belonging to each block are grouped by the OPF algorithm. Then, the representative samples (more specifically the roots of the optimum-path forest) are taken to a second level where they are clustered again. Finally, the group labels obtained in the second level are transferred to all samples of the dataset through their representatives of the first level. With this approach, we can use all samples, or at least many samples, in the unsupervised learning process without affecting the grouping performance and, therefore, the procedure is less likely to lose relevant grouping information. We show that our proposal can obtain satisfactory results in two scenarios, image segmentation and the general data clustering problem, in comparison with some popular baselines. In the first scenario, our technique achieves better results than the others in all tested image databases. In the second scenario, it obtains outcomes similar to an optimized version of the traditional OPF-clustering algorithmMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da ComputaçãoCAPE

A graph-based mathematical morphology reader

This survey paper aims at providing a "literary" anthology of mathematical morphology on graphs. It describes in the English language many ideas stemming from a large number of different papers, hence providing a unified view of an active and diverse field of research

A methodology for determining optimum microwave remote sensor parameters

There are no author-identified significant results in this report

Investigation related to multispectral imaging systems

A summary of technical progress made during a five year research program directed toward the development of operational information systems based on multispectral sensing and the use of these systems in earth-resource survey applications is presented. Efforts were undertaken during this program to: (1) improve the basic understanding of the many facets of multispectral remote sensing, (2) develop methods for improving the accuracy of information generated by remote sensing systems, (3) improve the efficiency of data processing and information extraction techniques to enhance the cost-effectiveness of remote sensing systems, (4) investigate additional problems having potential remote sensing solutions, and (5) apply the existing and developing technology for specific users and document and transfer that technology to the remote sensing community

Concepção e realização de um framework para sistemas embarcados baseados em FPGA aplicado a um classificador Floresta de Caminhos Ótimos

Orientadores: Eurípedes Guilherme de Oliveira Nóbrega, Isabelle Fantoni-Coichot, Vincent FrémontTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Université de Technologie de CompiègneResumo: Muitas aplicações modernas dependem de métodos de Inteligência Artificial, tais como classificação automática. Entretanto, o alto custo computacional associado a essas técnicas limita seu uso em plataformas embarcadas com recursos restritos. Grandes quantidades de dados podem superar o poder computacional disponível em tais ambientes, o que torna o processo de projetá-los uma tarefa desafiadora. As condutas de processamento mais comuns usam muitas funções de custo computacional elevadas, o que traz a necessidade de combinar alta capacidade computacional com eficiência energética. Uma possível estratégia para superar essas limitações e prover poder computacional suficiente aliado ao baixo consumo de energia é o uso de hardware especializado como, por exemplo, FPGA. Esta classe de dispositivos é amplamente conhecida por sua boa relação desempenho/consumo, sendo uma alternativa interessante para a construção de sistemas embarcados eficazes e eficientes. Esta tese propõe um framework baseado em FPGA para a aceleração de desempenho de um algoritmo de classificação a ser implementado em um sistema embarcado. A aceleração do desempenho foi atingida usando o esquema de paralelização SIMD, aproveitando as características de paralelismo de grão fino dos FPGA. O sistema proposto foi implementado e testado em hardware FPGA real. Para a validação da arquitetura, um classificador baseado em Teoria dos Grafos, o OPF, foi avaliado em uma proposta de aplicação e posteriormente implementado na arquitetura proposta. O estudo do OPF levou à proposição de um novo algoritmo de aprendizagem para o mesmo, usando conceitos de Computação Evolutiva, visando a redução do tempo de processamento de classificação, que, combinada à implementação em hardware, oferece uma aceleração de desempenho suficiente para ser aplicada em uma variedade de sistemas embarcadosAbstract: Many modern applications rely on Artificial Intelligence methods such as automatic classification. However, the computational cost associated with these techniques limit their use in resource constrained embedded platforms. A high amount of data may overcome the computational power available in such embedded environments while turning the process of designing them a challenging task. Common processing pipelines use many high computational cost functions, which brings the necessity of combining high computational capacity with energy efficiency. One of the strategies to overcome this limitation and provide sufficient computational power allied with low energy consumption is the use of specialized hardware such as FPGA. This class of devices is widely known for their performance to consumption ratio, being an interesting alternative to building capable embedded systems. This thesis proposes an FPGA-based framework for performance acceleration of a classification algorithm to be implemented in an embedded system. Acceleration is achieved using SIMD-based parallelization scheme, taking advantage of FPGA characteristics of fine-grain parallelism. The proposed system is implemented and tested in actual FPGA hardware. For the architecture validation, a graph-based classifier, the OPF, is evaluated in an application proposition and afterward applied to the proposed architecture. The OPF study led to a proposition of a new learning algorithm using evolutionary computation concepts, aiming at classification processing time reduction, which combined to the hardware implementation offers sufficient performance acceleration to be applied in a variety of embedded systemsDoutoradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoDoutor em Engenharia Mecânica3077/2013-09CAPE