Comparative Evaluation of Action Recognition Methods via Riemannian Manifolds, Fisher Vectors and GMMs: Ideal and Challenging Conditions

We present a comparative evaluation of various techniques for action recognition while keeping as many variables as possible controlled. We employ two categories of Riemannian manifolds: symmetric positive definite matrices and linear subspaces. For both categories we use their corresponding nearest neighbour classifiers, kernels, and recent kernelised sparse representations. We compare against traditional action recognition techniques based on Gaussian mixture models and Fisher vectors (FVs). We evaluate these action recognition techniques under ideal conditions, as well as their sensitivity in more challenging conditions (variations in scale and translation). Despite recent advancements for handling manifolds, manifold based techniques obtain the lowest performance and their kernel representations are more unstable in the presence of challenging conditions. The FV approach obtains the highest accuracy under ideal conditions. Moreover, FV best deals with moderate scale and translation changes

Going Deeper into Action Recognition: A Survey

Understanding human actions in visual data is tied to advances in complementary research areas including object recognition, human dynamics, domain adaptation and semantic segmentation. Over the last decade, human action analysis evolved from earlier schemes that are often limited to controlled environments to nowadays advanced solutions that can learn from millions of videos and apply to almost all daily activities. Given the broad range of applications from video surveillance to human-computer interaction, scientific milestones in action recognition are achieved more rapidly, eventually leading to the demise of what used to be good in a short time. This motivated us to provide a comprehensive review of the notable steps taken towards recognizing human actions. To this end, we start our discussion with the pioneering methods that use handcrafted representations, and then, navigate into the realm of deep learning based approaches. We aim to remain objective throughout this survey, touching upon encouraging improvements as well as inevitable fallbacks, in the hope of raising fresh questions and motivating new research directions for the reader

Unsupervised object candidate discovery for activity recognition

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

Cognitive visual tracking and camera control

Cognitive visual tracking is the process of observing and understanding the behaviour of a moving person. This paper presents an efficient solution to extract, in real-time, high-level information from an observed scene, and generate the most appropriate commands for a set of pan-tilt-zoom (PTZ) cameras in a surveillance scenario. Such a high-level feedback control loop, which is the main novelty of our work, will serve to reduce uncertainties in the observed scene and to maximize the amount of information extracted from it. It is implemented with a distributed camera system using SQL tables as virtual communication channels, and Situation Graph Trees for knowledge representation, inference and high-level camera control. A set of experiments in a surveillance scenario show the effectiveness of our approach and its potential for real applications of cognitive vision

SEGMENTATION, RECOGNITION, AND ALIGNMENT OF COLLABORATIVE GROUP MOTION

Modeling and recognition of human motion in videos has broad applications in behavioral biometrics, content-based visual data analysis, security and surveillance, as well as designing interactive environments. Significant progress has been made in the past two decades by way of new models, methods, and implementations. In this dissertation, we focus our attention on a relatively less investigated sub-area called collaborative group motion analysis. Collaborative group motions are those that typically involve multiple objects, wherein the motion patterns of individual objects may vary significantly in both space and time, but the collective motion pattern of the ensemble allows characterization in terms of geometry and statistics. Therefore, the motions or activities of an individual object constitute local information. A framework to synthesize all local information into a holistic view, and to explicitly characterize interactions among objects, involves large scale global reasoning, and is of significant complexity. In this dissertation, we first review relevant previous contributions on human motion/activity modeling and recognition, and then propose several approaches to answer a sequence of traditional vision questions including 1) which of the motion elements among all are the ones relevant to a group motion pattern of interest (Segmentation); 2) what is the underlying motion pattern (Recognition); and 3) how two motion ensembles are similar and how we can 'optimally' transform one to match the other (Alignment). Our primary practical scenario is American football play, where the corresponding problems are 1) who are offensive players; 2) what are the offensive strategy they are using; and 3) whether two plays are using the same strategy and how we can remove the spatio-temporal misalignment between them due to internal or external factors. The proposed approaches discard traditional modeling paradigm but explore either concise descriptors, hierarchies, stochastic mechanism, or compact generative model to achieve both effectiveness and efficiency. In particular, the intrinsic geometry of the spaces of the involved features/descriptors/quantities is exploited and statistical tools are established on these nonlinear manifolds. These initial attempts have identified new challenging problems in complex motion analysis, as well as in more general tasks in video dynamics. The insights gained from nonlinear geometric modeling and analysis in this dissertation may hopefully be useful toward a broader class of computer vision applications

An original framework for understanding human actions and body language by using deep neural networks

The evolution of both fields of Computer Vision (CV) and Artificial Neural Networks (ANNs) has allowed the development of efficient automatic systems for the analysis of people's behaviour. By studying hand movements it is possible to recognize gestures, often used by people to communicate information in a non-verbal way. These gestures can also be used to control or interact with devices without physically touching them. In particular, sign language and semaphoric hand gestures are the two foremost areas of interest due to their importance in Human-Human Communication (HHC) and Human-Computer Interaction (HCI), respectively. While the processing of body movements play a key role in the action recognition and affective computing fields. The former is essential to understand how people act in an environment, while the latter tries to interpret people's emotions based on their poses and movements; both are essential tasks in many computer vision applications, including event recognition, and video surveillance. In this Ph.D. thesis, an original framework for understanding Actions and body language is presented. The framework is composed of three main modules: in the first one, a Long Short Term Memory Recurrent Neural Networks (LSTM-RNNs) based method for the Recognition of Sign Language and Semaphoric Hand Gestures is proposed; the second module presents a solution based on 2D skeleton and two-branch stacked LSTM-RNNs for action recognition in video sequences; finally, in the last module, a solution for basic non-acted emotion recognition by using 3D skeleton and Deep Neural Networks (DNNs) is provided. The performances of RNN-LSTMs are explored in depth, due to their ability to model the long term contextual information of temporal sequences, making them suitable for analysing body movements. All the modules were tested by using challenging datasets, well known in the state of the art, showing remarkable results compared to the current literature methods

Every Moment Counts: Dense Detailed Labeling of Actions in Complex Videos

Every moment counts in action recognition. A comprehensive understanding of human activity in video requires labeling every frame according to the actions occurring, placing multiple labels densely over a video sequence. To study this problem we extend the existing THUMOS dataset and introduce MultiTHUMOS, a new dataset of dense labels over unconstrained internet videos. Modeling multiple, dense labels benefits from temporal relations within and across classes. We define a novel variant of long short-term memory (LSTM) deep networks for modeling these temporal relations via multiple input and output connections. We show that this model improves action labeling accuracy and further enables deeper understanding tasks ranging from structured retrieval to action prediction.Comment: To appear in IJC