3D Human Activity Recognition with Reconfigurable Convolutional Neural Networks

Human activity understanding with 3D/depth sensors has received increasing attention in multimedia processing and interactions. This work targets on developing a novel deep model for automatic activity recognition from RGB-D videos. We represent each human activity as an ensemble of cubic-like video segments, and learn to discover the temporal structures for a category of activities, i.e. how the activities to be decomposed in terms of classification. Our model can be regarded as a structured deep architecture, as it extends the convolutional neural networks (CNNs) by incorporating structure alternatives. Specifically, we build the network consisting of 3D convolutions and max-pooling operators over the video segments, and introduce the latent variables in each convolutional layer manipulating the activation of neurons. Our model thus advances existing approaches in two aspects: (i) it acts directly on the raw inputs (grayscale-depth data) to conduct recognition instead of relying on hand-crafted features, and (ii) the model structure can be dynamically adjusted accounting for the temporal variations of human activities, i.e. the network configuration is allowed to be partially activated during inference. For model training, we propose an EM-type optimization method that iteratively (i) discovers the latent structure by determining the decomposed actions for each training example, and (ii) learns the network parameters by using the back-propagation algorithm. Our approach is validated in challenging scenarios, and outperforms state-of-the-art methods. A large human activity database of RGB-D videos is presented in addition.Comment: This manuscript has 10 pages with 9 figures, and a preliminary version was published in ACM MM'14 conferenc

Activity representation with motion hierarchies

International audienceComplex activities, e.g., pole vaulting, are composed of a variable number of sub-events connected by complex spatio-temporal relations, whereas simple actions can be represented as sequences of short temporal parts. In this paper, we learn hierarchical representations of activity videos in an unsupervised manner. These hierarchies of mid-level motion components are data-driven decompositions specific to each video. We introduce a spectral divisive clustering algorithm to efficiently extract a hierarchy over a large number of tracklets (i.e., local trajectories). We use this structure to represent a video as an unordered binary tree. We model this tree using nested histograms of local motion features. We provide an efficient positive definite kernel that computes the structural and visual similarity of two hierarchical decompositions by relying on models of their parent-child relations. We present experimental results on four recent challenging benchmarks: the High Five dataset [Patron-Perez et al, 2010], the Olympics Sports dataset [Niebles et al, 2010], the Hollywood 2 dataset [Marszalek et al, 2009], and the HMDB dataset [Kuehne et al, 2011]. We show that pervideo hierarchies provide additional information for activity recognition. Our approach improves over unstructured activity models, baselines using other motion decomposition algorithms, and the state of the art

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

Towards Intelligent Crowd Behavior Understanding through the STFD Descriptor Exploration

Realizing the automated and online detection of crowd anomalies from surveillance CCTVs is a research-intensive and application-demanding task. This research proposes a novel technique for detecting crowd abnormalities through analyzing the spatial and temporal features of input video signals. This integrated solution defines an image descriptor (named spatio-temporal feature descriptor - STFD) that reflects the global motion information of crowds over time. A CNN has then been adopted to classify dominant or large-scale crowd abnormal behaviors. The work reported has focused on: 1) detecting moving objects in online (or near real-time) manner through spatio-temporal segmentations of crowds that is defined by the similarity of group trajectory structures in temporal space and the foreground blocks based on Gaussian Mixture Model (GMM) in spatial space; 2) dividing multiple clustered groups based on the spectral clustering method by considering image pixels from spatio-temporal segmentation regions as dynamic particles; 3) generating the STFD descriptor instances by calculating the attributes (i.e., collectiveness, stability, conflict and crowd density) of particles in the corresponding groups; 4) inputting generated STFD descriptor instances into the devised convolutional neural network (CNN) to detect suspicious crowd behaviors. The test and evaluation of the devised models and techniques have selected the PETS database as the primary experimental data sets. Results against benchmarking models and systems have shown promising advancements of this novel approach in terms of accuracy and efficiency for detecting crowd anomalies

Towards Intelligent Crowd Behavior Understanding through the STFD Descriptor Exploration

Realizing the automated and online detection of crowd anomalies from surveillance CCTVs is a research-intensive and application-demanding task. This research proposes a novel technique for detecting crowd abnormalities through analyzing the spatial and temporal features of input video signals. This integrated solution defines an image descriptor (named spatio-temporal feature descriptor - STFD) that reflects the global motion information of crowds over time. A CNN has then been adopted to classify dominant or large-scale crowd abnormal behaviors. The work reported has focused on: 1) detecting moving objects in online (or near real-time) manner through spatio-temporal segmentations of crowds that is defined by the similarity of group trajectory structures in temporal space and the foreground blocks based on Gaussian Mixture Model (GMM) in spatial space; 2) dividing multiple clustered groups based on the spectral clustering method by considering image pixels from spatio-temporal segmentation regions as dynamic particles; 3) generating the STFD descriptor instances by calculating the attributes (i.e., collectiveness, stability, conflict and crowd density) of particles in the corresponding groups; 4) inputting generated STFD descriptor instances into the devised convolutional neural network (CNN) to detect suspicious crowd behaviors. The test and evaluation of the devised models and techniques have selected the PETS database as the primary experimental data sets. Results against benchmarking models and systems have shown promising advancements of this novel approach in terms of accuracy and efficiency for detecting crowd anomalies