Computer vision for plant and animal inventory

The population, composition, and spatial distribution of the plants and animals in certain regions are always important data for natural resource management, conservation and farming. The traditional ways to acquire such data require human participation. The procedure of data processing by human is usually cumbersome, expensive and time-consuming. Hence the algorithms for automatic animal and plant inventory show their worth and become a hot topic. We propose a series of computer vision methods for automated plant and animal inventory, to recognize, localize, categorize, track and count different objects of interest, including vegetation, trees, fishes and livestock animals. We make use of different sensors, hardware platforms, neural network architectures and pipelines to deal with the varied properties and challenges of these objects. (1) For vegetation analysis, we propose a fast multistage method to estimate the coverage. The reference board is localized based on its edge and texture features. And then a K-means color model of the board is generated. Finally, the vegetation is segmented at pixel level using the color model. The proposed method is robust to lighting condition changes. (2) For tree counting in aerial images, we propose a novel method called density transformer, or DENT, to learn and predict the density of the trees at different positions. DENT uses an efficient multi-receptive field network to extract visual features from different positions. A transformer encoder is applied to filter and transfer useful contextual information across different spatial positions. DENT significantly outperformed the existing state-of-art CNN detectors and regressors on both the dataset built by ourselves and an existing cross-site dataset. (3) We propose a framework of fish classification system using boat cameras. The framework contains two branches. A branch extracts the contextual information from the whole image. The other branch localizes all the individual fish and normalizes their poses. The classification results from the two branches are weighted based on the clearness of the image and the familiarness of the context. Our system achieved the top 1 percent rank in the competition of The Nature Conservancy Fisheries Monitoring. (4) We also propose a video-based pig counting algorithm using an inspection robot. We adopt a novel bottom-up keypoint tracking method and a novel spatial-aware temporal response filtering method to count the pigs. The proposed approach outperformed the other methods and even human competitors in the experiments.Includes bibliographical references

Towards accurate multi-person pose estimation in the wild

In this thesis we are concerned with the problem of articulated human pose estimation and pose tracking in images and video sequences. Human pose estimation is a task of localising major joints of a human skeleton in natural images and is one of the most important visual recognition tasks in the scenes containing humans with numerous applications in robotics, virtual and augmented reality, gaming and healthcare among others. Articulated human pose tracking requires tracking multiple persons in the video sequence while simultaneously estimating full body poses. This task is important for analysing surveillance footage, activity recognition, sports analytics, etc. Most of the prior work focused on the pose estimation of single pre-localised humans whereas here we address a case with multiple people in real world images which entails several challenges such as person-person overlaps in highly crowded scenes, unknown number of people or people entering and leaving video sequences. The first contribution is a multi-person pose estimation algorithm based on the bottom-up detection-by-grouping paradigm. Unlike the widespread top-down approaches our method detects body joints and pairwise relations between them in a single forward pass of a convolutional neural network. Multi-person parsing is performed by optimizing a joint objective based on a multicut graph partitioning framework. Secondly, we extend our pose estimation approach to articulated multi-person pose tracking in videos. Our approach performs multi-target tracking and pose estimation in a holistic manner by optimising a single objective. We further simplify and refine the formulation which allows us to reach close to the real-time performance. Thirdly, we propose a large scale dataset and a benchmark for articulated multi-person tracking. It is the first dataset of video sequences comprising complex multi-person scenes and fully annotated tracks with 2D keypoints. Our fourth contribution is a method for estimating 3D body pose using on-body wearable cameras. Our approach uses a pair of downward facing, head-mounted cameras and captures an entire body. This egocentric approach is free of limitations of traditional setups with external cameras and can estimate body poses in very crowded environments. Our final contribution goes beyond human pose estimation and is in the field of deep learning of 3D object shapes. In particular, we address the case of reconstructing 3D objects from weak supervision. Our approach represents objects as 3D point clouds and is able to learn them with 2D supervision only and without requiring camera pose information at training time. We design a differentiable renderer of point clouds as well as a novel loss formulation for dealing with camera pose ambiguity.In dieser Arbeit behandeln wir das Problem der Schätzung und Verfolgung artikulierter menschlicher Posen in Bildern und Video-Sequenzen. Die Schätzung menschlicher Posen besteht darin die Hauptgelenke des menschlichen Skeletts in natürlichen Bildern zu lokalisieren und ist eine der wichtigsten Aufgaben der visuellen Erkennung in Szenen, die Menschen beinhalten. Sie hat zahlreiche Anwendungen in der Robotik, virtueller und erweiterter Realität, in Videospielen, in der Medizin und weiteren Bereichen. Die Verfolgung artikulierter menschlicher Posen erfordert die Verfolgung mehrerer Personen in einer Videosequenz bei gleichzeitiger Schätzung vollständiger Körperhaltungen. Diese Aufgabe ist besonders wichtig für die Analyse von Video-Überwachungsaufnahmen, Aktivitätenerkennung, digitale Sportanalyse etc. Die meisten vorherigen Arbeiten sind auf die Schätzung einzelner Posen vorlokalisierter Menschen fokussiert, wohingegen wir den Fall mehrerer Personen in natürlichen Aufnahmen betrachten. Dies bringt einige Herausforderungen mit sich, wie die Überlappung verschiedener Personen in dicht gedrängten Szenen, eine unbekannte Anzahl an Personen oder Personen die das Sichtfeld der Video-Sequenz verlassen oder betreten. Der erste Beitrag ist ein Algorithmus zur Schätzung der Posen mehrerer Personen, welcher auf dem Paradigma der Erkennung durch Gruppierung aufbaut. Im Gegensatz zu den verbreiteten Verfeinerungs-Ansätzen erkennt unsere Methode Körpergelenke and paarweise Beziehungen zwischen ihnen in einer einzelnen Vorwärtsrechnung eines faltenden neuronalen Netzwerkes. Die Gliederung in mehrere Personen erfolgt durch Optimierung einer gemeinsamen Zielfunktion, die auf dem Mehrfachschnitt-Problem in der Graphenzerlegung basiert. Zweitens erweitern wir unseren Ansatz zur Posen-Bestimmung auf das Verfolgen mehrerer Personen und deren Artikulation in Videos. Unser Ansatz führt eine Verfolgung mehrerer Ziele und die Schätzung der zugehörigen Posen in ganzheitlicher Weise durch, indem eine einzelne Zielfunktion optimiert wird. Desweiteren vereinfachen und verfeinern wir die Formulierung, was unsere Methode nah an Echtzeit-Leistung bringt. Drittens schlagen wir einen großen Datensatz und einen Bewertungsmaßstab für die Verfolgung mehrerer artikulierter Personen vor. Dies ist der erste Datensatz der Video-Sequenzen von komplexen Szenen mit mehreren Personen beinhaltet und deren Spuren komplett mit zwei-dimensionalen Markierungen der Schlüsselpunkte versehen sind. Unser vierter Beitrag ist eine Methode zur Schätzung von drei-dimensionalen Körperhaltungen mittels am Körper tragbarer Kameras. Unser Ansatz verwendet ein Paar nach unten gerichteter, am Kopf befestigter Kameras und erfasst den gesamten Körper. Dieser egozentrische Ansatz ist frei von jeglichen Limitierungen traditioneller Konfigurationen mit externen Kameras und kann Körperhaltungen in sehr dicht gedrängten Umgebungen bestimmen. Unser letzter Beitrag geht über die Schätzung menschlicher Posen hinaus in den Bereich des tiefen Lernens der Gestalt von drei-dimensionalen Objekten. Insbesondere befassen wir uns mit dem Fall drei-dimensionale Objekte unter schwacher Überwachung zu rekonstruieren. Unser Ansatz repräsentiert Objekte als drei-dimensionale Punktwolken and ist im Stande diese nur mittels zwei-dimensionaler Überwachung und ohne Informationen über die Kamera-Ausrichtung zur Trainingszeit zu lernen. Wir entwerfen einen differenzierbaren Renderer für Punktwolken sowie eine neue Formulierung um mit uneindeutigen Kamera-Ausrichtungen umzugehen

Collaborative SLAM using a swarm intelligence-inspired exploration method

Master's thesis in Mechatronics (MAS500)Efficient exploration in multi-robot SLAM is a challenging task. This thesis describes the design of algorithms that would enable Loomo robots to collaboratively explore an unknown environment. A pose graph-based SLAM algorithm using the on-board sensors of the Loomo was developed from scratch. A YOLOv3-tiny neural network has been trained to recognize other Loomos, and an exploration simulation has been developed to test exploration methods. The bots in the simulation are controlled using swarm intelligence inspired rules. The system is not finished, and further workis needed to combine the work done in the thesis into a collaborative SLAM system that runs on the Loomo robots

Using Prior Knowledge for Verification and Elimination of Stationary and Variable Objects in Real-time Images

With the evolving technologies in the autonomous vehicle industry, now it has become possible for automobile passengers to sit relaxed instead of driving the car. Technologies like object detection, object identification, and image segmentation have enabled an autonomous car to identify and detect an object on the road in order to drive safely. While an autonomous car drives by itself on the road, the types of objects surrounding the car can be dynamic (e.g., cars and pedestrians), stationary (e.g., buildings and benches), and variable (e.g., trees) depending on if the location or shape of an object changes or not. Different from the existing image-based approaches to detect and recognize objects in the scene, in this research 3D virtual world is employed to verify and eliminate stationary and variable objects to allow the autonomous car to focus on dynamic objects that may cause danger to its driving. This methodology takes advantage of prior knowledge of stationary and variable objects presented in a virtual city and verifies their existence in a real-time scene by matching keypoints between the virtual and real objects. In case of a stationary or variable object that does not exist in the virtual world due to incomplete pre-existing information, this method uses machine learning for object detection. Verified objects are then removed from the real-time image with a combined algorithm using contour detection and class activation map (CAM), which helps to enhance the efficiency and accuracy when recognizing moving objects

Multi-task near-field perception for autonomous driving using surround-view fisheye cameras

Die Bildung der Augen führte zum Urknall der Evolution. Die Dynamik änderte sich von einem primitiven Organismus, der auf den Kontakt mit der Nahrung wartete, zu einem Organismus, der durch visuelle Sensoren gesucht wurde. Das menschliche Auge ist eine der raffiniertesten Entwicklungen der Evolution, aber es hat immer noch Mängel. Der Mensch hat über Millionen von Jahren einen biologischen Wahrnehmungsalgorithmus entwickelt, der in der Lage ist, Autos zu fahren, Maschinen zu bedienen, Flugzeuge zu steuern und Schiffe zu navigieren. Die Automatisierung dieser Fähigkeiten für Computer ist entscheidend für verschiedene Anwendungen, darunter selbstfahrende Autos, Augmented Realität und architektonische Vermessung. Die visuelle Nahfeldwahrnehmung im Kontext von selbstfahrenden Autos kann die Umgebung in einem Bereich von 0 - 10 Metern und 360° Abdeckung um das Fahrzeug herum wahrnehmen. Sie ist eine entscheidende Entscheidungskomponente bei der Entwicklung eines sichereren automatisierten Fahrens. Jüngste Fortschritte im Bereich Computer Vision und Deep Learning in Verbindung mit hochwertigen Sensoren wie Kameras und LiDARs haben ausgereifte Lösungen für die visuelle Wahrnehmung hervorgebracht. Bisher stand die Fernfeldwahrnehmung im Vordergrund. Ein weiteres wichtiges Problem ist die begrenzte Rechenleistung, die für die Entwicklung von Echtzeit-Anwendungen zur Verfügung steht. Aufgrund dieses Engpasses kommt es häufig zu einem Kompromiss zwischen Leistung und Laufzeiteffizienz. Wir konzentrieren uns auf die folgenden Themen, um diese anzugehen: 1) Entwicklung von Nahfeld-Wahrnehmungsalgorithmen mit hoher Leistung und geringer Rechenkomplexität für verschiedene visuelle Wahrnehmungsaufgaben wie geometrische und semantische Aufgaben unter Verwendung von faltbaren neuronalen Netzen. 2) Verwendung von Multi-Task-Learning zur Überwindung von Rechenengpässen durch die gemeinsame Nutzung von initialen Faltungsschichten zwischen den Aufgaben und die Entwicklung von Optimierungsstrategien, die die Aufgaben ausbalancieren.The formation of eyes led to the big bang of evolution. The dynamics changed from a primitive organism waiting for the food to come into contact for eating food being sought after by visual sensors. The human eye is one of the most sophisticated developments of evolution, but it still has defects. Humans have evolved a biological perception algorithm capable of driving cars, operating machinery, piloting aircraft, and navigating ships over millions of years. Automating these capabilities for computers is critical for various applications, including self-driving cars, augmented reality, and architectural surveying. Near-field visual perception in the context of self-driving cars can perceive the environment in a range of 0 - 10 meters and 360° coverage around the vehicle. It is a critical decision-making component in the development of safer automated driving. Recent advances in computer vision and deep learning, in conjunction with high-quality sensors such as cameras and LiDARs, have fueled mature visual perception solutions. Until now, far-field perception has been the primary focus. Another significant issue is the limited processing power available for developing real-time applications. Because of this bottleneck, there is frequently a trade-off between performance and run-time efficiency. We concentrate on the following issues in order to address them: 1) Developing near-field perception algorithms with high performance and low computational complexity for various visual perception tasks such as geometric and semantic tasks using convolutional neural networks. 2) Using Multi-Task Learning to overcome computational bottlenecks by sharing initial convolutional layers between tasks and developing optimization strategies that balance tasks