Research on Methods of Feature Representation for Human Action recognition in RGBD Video

人体行为识别是计算机视觉的前沿研究课题，可应用在智能视频监控、人体行为分析和视频检索等领域中。近年来RGBD视频的出现为人体行为识别带来了新的机遇和挑战。在系统梳理RGBD视频的人体行为识别技术基础上，本文发现目前的研究存在如下问题：特征维度高、缺乏判别力部位分析、深度学习网络缺乏可解释性、特征融合难。因此本文分别针对上述问题，围绕着如何有效表示人体的动作特征展开研究，具体的研究内容和创新点如下： 1、针对特征维度高和缺乏语义解释的问题，提出了一种基于随机森林袋外估计的判别力部位挖掘方法。该方法首先将各关节点部位的特征分别送入不同的随机森林分类器，得到各行为和整个数据集上的袋外估计错误率；其...Human action recognition, a hot research topic in computer vision, can be applied to many scenarios, such as intelligent video surveillance, human activity analysis, video retrieval, etc. Recently, researchers discovered that depth information provided by RGBD sensors, such as Kinect, improves the efficiency of the action recognition results. Based on a survey of human action recoginition in RGBD ...学位：工学博士院系专业：信息科学与技术学院_计算机科学与技术学号：3152013015428

RGB-D-based Action Recognition Datasets: A Survey

Human action recognition from RGB-D (Red, Green, Blue and Depth) data has attracted increasing attention since the first work reported in 2010. Over this period, many benchmark datasets have been created to facilitate the development and evaluation of new algorithms. This raises the question of which dataset to select and how to use it in providing a fair and objective comparative evaluation against state-of-the-art methods. To address this issue, this paper provides a comprehensive review of the most commonly used action recognition related RGB-D video datasets, including 27 single-view datasets, 10 multi-view datasets, and 7 multi-person datasets. The detailed information and analysis of these datasets is a useful resource in guiding insightful selection of datasets for future research. In addition, the issues with current algorithm evaluation vis-\'{a}-vis limitations of the available datasets and evaluation protocols are also highlighted; resulting in a number of recommendations for collection of new datasets and use of evaluation protocols

ModDrop: adaptive multi-modal gesture recognition

We present a method for gesture detection and localisation based on multi-scale and multi-modal deep learning. Each visual modality captures spatial information at a particular spatial scale (such as motion of the upper body or a hand), and the whole system operates at three temporal scales. Key to our technique is a training strategy which exploits: i) careful initialization of individual modalities; and ii) gradual fusion involving random dropping of separate channels (dubbed ModDrop) for learning cross-modality correlations while preserving uniqueness of each modality-specific representation. We present experiments on the ChaLearn 2014 Looking at People Challenge gesture recognition track, in which we placed first out of 17 teams. Fusing multiple modalities at several spatial and temporal scales leads to a significant increase in recognition rates, allowing the model to compensate for errors of the individual classifiers as well as noise in the separate channels. Futhermore, the proposed ModDrop training technique ensures robustness of the classifier to missing signals in one or several channels to produce meaningful predictions from any number of available modalities. In addition, we demonstrate the applicability of the proposed fusion scheme to modalities of arbitrary nature by experiments on the same dataset augmented with audio.Comment: 14 pages, 7 figure

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

Real-time human action recognition using raw depth video-based recurrent neural networks

This work proposes and compare two different approaches for real-time human action recognition (HAR) from raw depth video sequences. Both proposals are based on the convolutional long short-term memory unit, namely ConvLSTM, with differences in the architecture and the long-term learning. The former uses a video-length adaptive input data generator (stateless) whereas the latter explores the stateful ability of general recurrent neural networks but is applied in the particular case of HAR. This stateful property allows the model to accumulate discriminative patterns from previous frames without compromising computer memory. Furthermore, since the proposal uses only depth information, HAR is carried out preserving the privacy of people in the scene, since their identities can not be recognized. Both neural networks have been trained and tested using the large-scale NTU RGB+D dataset. Experimental results show that the proposed models achieve competitive recognition accuracies with lower computational cost compared with state-of-the-art methods and prove that, in the particular case of videos, the rarely-used stateful mode of recurrent neural networks significantly improves the accuracy obtained with the standard mode. The recognition accuracies obtained are 75.26% (CS) and 75.45% (CV) for the stateless model, with an average time consumption per video of 0.21 s, and 80.43% (CS) and 79.91%(CV) with 0.89 s for the stateful one.Agencia Estatal de InvestigaciónUniversidad de Alcal