56 research outputs found

    Active recognition and pose estimation of rigid and deformable objects in 3D space

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    Object recognition and pose estimation is a fundamental problem in computer vision and of utmost importance in robotic applications. Object recognition refers to the problem of recognizing certain object instances, or categorizing objects into specific classes. Pose estimation deals with estimating the exact position of the object in 3D space, usually expressed in Euler angles. There are generally two types of objects that require special care when designing solutions to the aforementioned problems: rigid and deformable. Dealing with deformable objects has been a much harder problem, and usually solutions that apply to rigid objects, fail when used for deformable objects due to the inherent assumptions made during the design. In this thesis we deal with object categorization, instance recognition and pose estimation of both rigid and deformable objects. In particular, we are interested in a special type of deformable objects, clothes. We tackle the problem of autonomously recognizing and unfolding articles of clothing using a dual manipulator. This problem consists of grasping an article from a random point, recognizing it and then bringing it into an unfolded state by a dual arm robot. We propose a data-driven method for clothes recognition from depth images using Random Decision Forests. We also propose a method for unfolding an article of clothing after estimating and grasping two key-points, using Hough Forests. Both methods are implemented into a POMDP framework allowing the robot to interact optimally with the garments, taking into account uncertainty in the recognition and point estimation process. This active recognition and unfolding makes our system very robust to noisy observations. Our methods were tested on regular-sized clothes using a dual-arm manipulator. Our systems perform better in both accuracy and speed compared to state-of-the-art approaches. In order to take advantage of the robotic manipulator and increase the accuracy of our system, we developed a novel approach to address generic active vision problems, called Active Random Forests. While state of the art focuses on best viewing parameters selection based on single view classifiers, we propose a multi-view classifier where the decision mechanism of optimally changing viewing parameters is inherent to the classification process. This has many advantages: a) the classifier exploits the entire set of captured images and does not simply aggregate probabilistically per view hypotheses; b) actions are based on learnt disambiguating features from all views and are optimally selected using the powerful voting scheme of Random Forests and c) the classifier can take into account the costs of actions. The proposed framework was applied to the same task of autonomously unfolding clothes by a robot, addressing the problem of best viewpoint selection in classification, grasp point and pose estimation of garments. We show great performance improvement compared to state of the art methods and our previous POMDP formulation. Moving from deformable to rigid objects while keeping our interest to domestic robotic applications, we focus on object instance recognition and 3D pose estimation of household objects. We are particularly interested in realistic scenes that are very crowded and objects can be perceived under severe occlusions. Single shot-based 6D pose estimators with manually designed features are still unable to tackle such difficult scenarios for a variety of objects, motivating the research towards unsupervised feature learning and next-best-view estimation. We present a complete framework for both single shot-based 6D object pose estimation and next-best-view prediction based on Hough Forests, the state of the art object pose estimator that performs classification and regression jointly. Rather than using manually designed features we propose an unsupervised feature learnt from depth-invariant patches using a Sparse Autoencoder. Furthermore, taking advantage of the clustering performed in the leaf nodes of Hough Forests, we learn to estimate the reduction of uncertainty in other views, formulating the problem of selecting the next-best-view. To further improve 6D object pose estimation, we propose an improved joint registration and hypotheses verification module as a final refinement step to reject false detections. We provide two additional challenging datasets inspired from realistic scenarios to extensively evaluate the state of the art and our framework. One is related to domestic environments and the other depicts a bin-picking scenario mostly found in industrial settings. We show that our framework significantly outperforms state of the art both on public and on our datasets. Unsupervised feature learning, although efficient, might produce sub-optimal features for our particular tast. Therefore in our last work, we leverage the power of Convolutional Neural Networks to tackled the problem of estimating the pose of rigid objects by an end-to-end deep regression network. To improve the moderate performance of the standard regression objective function, we introduce the Siamese Regression Network. For a given image pair, we enforce a similarity measure between the representation of the sample images in the feature and pose space respectively, that is shown to boost regression performance. Furthermore, we argue that our pose-guided feature learning using our Siamese Regression Network generates more discriminative features that outperform the state of the art. Last, our feature learning formulation provides the ability of learning features that can perform under severe occlusions, demonstrating high performance on our novel hand-object dataset. Concluding, this work is a research on the area of object detection and pose estimation in 3D space, on a variety of object types. Furthermore we investigate how accuracy can be further improved by applying active vision techniques to optimally move the camera view to minimize the detection error.Open Acces

    A Multi-view Pixel-wise Voting Network for 6DoF Pose Estimation

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    6DoF pose estimation is an important task in the Computer Vision field for what regards robotic and automotive applications. Many recent approaches successfully perform pose estimation on monocular images, which lack depth information. In this work, the potential of extending such methods to a multi-view setting is explored, in order to recover depth information from geometrical relations between the views. In particular two different multi-view adaptations for a particular monocular pose estimator, called PVNet, are developed, by either combining monocular results on the individual views or by modifying the original method to take in input directly the set of views. The new models are evaluated on the TOD transparent object dataset and compared against the original PVNet implementation, a depth-based pose estimation called DenseFusion, and the method proposed by the authors of the dataset, called Keypose. Experimental results show that integrating multi-view information significantly increases test accuracy and that both models outperform DenseFusion, while still being slightly surpassed by Keypose

    Unsupervised object candidate discovery for activity recognition

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    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

    Visual Tracking of Instruments in Minimally Invasive Surgery

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    Reducing access trauma has been a focal point for modern surgery and tackling the challenges that arise from new operating techniques and instruments is an exciting and open area of research. Lack of awareness and control from indirect manipulation and visualization has created a need to augment the surgeon's understanding and perception of how their instruments interact with the patient's anatomy but current methods of achieving this are inaccurate and difficult to integrate into the surgical workflow. Visual methods have the potential to recover the position and orientation of the instruments directly in the reference frame of the observing camera without the need to introduce additional hardware to the operating room and perform complex calibration steps. This thesis explores how this problem can be solved with the fusion of coarse region and fine scale point features to enable the recovery of both the rigid and articulated degrees of freedom of laparoscopic and robotic instruments using only images provided by the surgical camera. Extensive experiments on different image features are used to determine suitable representations for reliable and robust pose estimation. Using this information a novel framework is presented which estimates 3D pose with a region matching scheme while using frame-to-frame optical flow to account for challenges due to symmetry in the instrument design. The kinematic structure of articulated robotic instruments is also used to track the movement of the head and claspers. The robustness of this method was evaluated on calibrated ex-vivo images and in-vivo sequences and comparative studies are performed with state-of-the-art kinematic assisted tracking methods

    Intelligent Sensors for Human Motion Analysis

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    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

    Contributions to region-based image and video analysis: feature aggregation, background subtraction and description constraining

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    Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Tecnología Electrónica y de las Comunicaciones. Fecha de lectura: 22-01-2016Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 22-07-2017The use of regions for image and video analysis has been traditionally motivated by their ability to diminish the number of processed units and hence, the number of required decisions. However, as we explore in this thesis, this is just one of the potential advantages that regions may provide. When dealing with regions, two description spaces may be differentiated: the decision space, on which regions are shaped—region segmentation—, and the feature space, on which regions are used for analysis—region-based applications—. These two spaces are highly related. The solutions taken on the decision space severely affect their performance in the feature space. Accordingly, in this thesis we propose contributions on both spaces. Regarding the contributions to region segmentation, these are two-fold. Firstly, we give a twist to a classical region segmentation technique, the Mean-Shift, by exploring new solutions to automatically set the spectral kernel bandwidth. Secondly, we propose a method to describe the micro-texture of a pixel neighbourhood by using an easily customisable filter-bank methodology—which is based on the discrete cosine transform (DCT)—. The rest of the thesis is devoted to describe region-based approaches to several highly topical issues in computer vision; two broad tasks are explored: background subtraction (BS) and local descriptors (LD). Concerning BS, regions are here used as complementary cues to refine pixel-based BS algorithms: by providing robust to illumination cues and by storing the background dynamics in a region-driven background modelling. Relating to LD, the region is here used to reshape the description area usually fixed for local descriptors. Region-masked versions of classical two-dimensional and three-dimensional local descriptions are designed. So-built descriptions are proposed for the task of object identification, under a novel neural-oriented strategy. Furthermore, a local description scheme based on a fuzzy use of the region membership is derived. This characterisation scheme has been geometrically adapted to account for projective deformations, providing a suitable tool for finding corresponding points in wide-baseline scenarios. Experiments have been conducted for every contribution, discussing the potential benefits and the limitations of the proposed schemes. In overall, obtained results suggest that the region—conditioned by successful aggregation processes—is a reliable and useful tool to extrapolate pixel-level results, diminish semantic noise, isolate significant object cues and constrain local descriptions. The methods and approaches described along this thesis present alternative or complementary solutions to pixel-based image processing.El uso de regiones para el análisis de imágenes y secuencias de video ha estado tradicionalmente motivado por su utilidad para disminuir el número de unidades de análisis y, por ende, el número de decisiones. En esta tesis evidenciamos que esta es sólo una de las muchas ventajas adheridas a la utilización de regiones. En el procesamiento por regiones deben distinguirse dos espacios de análisis: el espacio de decisión, en donde se construyen las regiones, y el espacio de características, donde se utilizan. Ambos espacios están altamente relacionados. Las soluciones diseñadas para la construcción de regiones en el espacio de decisión definen su utilidad en el espacio de análisis. Por este motivo, a lo largo de esta tesis estudiamos ambos espacios. En particular, proponemos dos contribuciones en la etapa de construcción de regiones. En la primera, revisitamos una técnica clásica, Mean-Shift, e introducimos un esquema para la selección automática del ancho de banda que permite estimar localmente la densidad de una determinada característica. En la segunda, utilizamos la transformada discreta del coseno para describir la variabilidad local en el entorno de un píxel. En el resto de la tesis exploramos soluciones en el espacio de características, en otras palabras, proponemos aplicaciones que se apoyan en la región para realizar el procesamiento. Dichas aplicaciones se centran en dos ramas candentes en el ámbito de la visión por computador: la segregación del frente por substracción del fondo y la descripción local de los puntos de una imagen. En la rama substracción de fondo, utilizamos las regiones como unidades de apoyo a los algoritmos basados exclusivamente en el análisis a nivel de píxel. En particular, mejoramos la robustez de estos algoritmos a los cambios locales de iluminación y al dinamismo del fondo. Para esta última técnica definimos un modelo de fondo completamente basado en regiones. Las contribuciones asociadas a la rama de descripción local están centradas en el uso de la región para definir, automáticamente, entornos de descripción alrededor de los puntos. En las aproximaciones existentes, estos entornos de descripción suelen ser de tamaño y forma fija. Como resultado de este procedimiento se establece el diseño de versiones enmascaradas de descriptores bidimensionales y tridimensionales. En el algoritmo desarrollado, organizamos los descriptores así diseñados en una estructura neuronal y los utilizamos para la identificación automática de objetos. Por otro lado, proponemos un esquema de descripción mediante asociación difusa de píxeles a regiones. Este entorno de descripción es transformado geométricamente para adaptarse a potenciales deformaciones proyectivas en entornos estéreo donde las cámaras están ampliamente separadas. Cada una de las aproximaciones desarrolladas se evalúa y discute, remarcando las ventajas e inconvenientes asociadas a su utilización. En general, los resultados obtenidos sugieren que la región, asumiendo que ha sido construida de manera exitosa, es una herramienta fiable y de utilidad para: extrapolar resultados a nivel de pixel, reducir el ruido semántico, aislar las características significativas de los objetos y restringir la descripción local de estas características. Los métodos y enfoques descritos a lo largo de esta tesis establecen soluciones alternativas o complementarias al análisis a nivel de píxelIt was partially supported by the Spanish Government trough its FPU grant program and the projects (TEC2007-65400 - SemanticVideo), (TEC2011-25995 Event Video) and (TEC2014-53176-R HAVideo); the European Commission (IST-FP6-027685 - Mesh); the Comunidad de Madrid (S-0505/TIC-0223 - ProMultiDis-CM) and the Spanish Administration Agency CENIT 2007-1007 (VISION)
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