Audio‐Visual Speaker Tracking

Target motion tracking found its application in interdisciplinary fields, including but not limited to surveillance and security, forensic science, intelligent transportation system, driving assistance, monitoring prohibited area, medical science, robotics, action and expression recognition, individual speaker discrimination in multi‐speaker environments and video conferencing in the fields of computer vision and signal processing. Among these applications, speaker tracking in enclosed spaces has been gaining relevance due to the widespread advances of devices and technologies and the necessity for seamless solutions in real‐time tracking and localization of speakers. However, speaker tracking is a challenging task in real‐life scenarios as several distinctive issues influence the tracking process, such as occlusions and an unknown number of speakers. One approach to overcome these issues is to use multi‐modal information, as it conveys complementary information about the state of the speakers compared to single‐modal tracking. To use multi‐modal information, several approaches have been proposed which can be classified into two categories, namely deterministic and stochastic. This chapter aims at providing multimedia researchers with a state‐of‐the‐art overview of tracking methods, which are used for combining multiple modalities to accomplish various multimedia analysis tasks, classifying them into different categories and listing new and future trends in this field

FlightGoggles: A Modular Framework for Photorealistic Camera, Exteroceptive Sensor, and Dynamics Simulation

FlightGoggles is a photorealistic sensor simulator for perception-driven robotic vehicles. The key contributions of FlightGoggles are twofold. First, FlightGoggles provides photorealistic exteroceptive sensor simulation using graphics assets generated with photogrammetry. Second, it provides the ability to combine (i) synthetic exteroceptive measurements generated in silico in real time and (ii) vehicle dynamics and proprioceptive measurements generated in motio by vehicle(s) in a motion-capture facility. FlightGoggles is capable of simulating a virtual-reality environment around autonomous vehicle(s). While a vehicle is in flight in the FlightGoggles virtual reality environment, exteroceptive sensors are rendered synthetically in real time while all complex extrinsic dynamics are generated organically through the natural interactions of the vehicle. The FlightGoggles framework allows for researchers to accelerate development by circumventing the need to estimate complex and hard-to-model interactions such as aerodynamics, motor mechanics, battery electrochemistry, and behavior of other agents. The ability to perform vehicle-in-the-loop experiments with photorealistic exteroceptive sensor simulation facilitates novel research directions involving, e.g., fast and agile autonomous flight in obstacle-rich environments, safe human interaction, and flexible sensor selection. FlightGoggles has been utilized as the main test for selecting nine teams that will advance in the AlphaPilot autonomous drone racing challenge. We survey approaches and results from the top AlphaPilot teams, which may be of independent interest.Comment: Initial version appeared at IROS 2019. Supplementary material can be found at https://flightgoggles.mit.edu. Revision includes description of new FlightGoggles features, such as a photogrammetric model of the MIT Stata Center, new rendering settings, and a Python AP

Probabilistic Parametric Curves for Sequence Modeling

Repräsentationen sequenzieller Daten basieren in der Regel auf der Annahme, dass beobachtete Sequenzen Realisierungen eines unbekannten zugrundeliegenden stochastischen Prozesses sind. Die Bestimmung einer solchen Repräsentation wird üblicherweise als Lernproblem ausgelegt und ergibt ein Sequenzmodell. Das Modell muss in diesem Zusammenhang in der Lage sein, die multimodale Natur der Daten zu erfassen, ohne einzelne Modi zu vermischen. Zur Modellierung eines zugrundeliegenden stochastischen Prozesses lernen häufig verwendete, auf neuronalen Netzen basierende Ansätze entweder eine Wahrscheinlichkeitsverteilung zu parametrisieren oder eine implizite Repräsentation unter Verwendung stochastischer Eingaben oder Neuronen. Dabei integrieren diese Modelle in der Regel Monte Carlo Verfahren oder andere Näherungslösungen, um die Parameterschätzung und probabilistische Inferenz zu ermöglichen. Dies gilt sogar für regressionsbasierte Ansätze basierend auf Mixture Density Netzwerken, welche ebenso Monte Carlo Simulationen zur multi-modalen Inferenz benötigen. Daraus ergibt sich eine Forschungslücke für vollständig regressionsbasierte Ansätze zur Parameterschätzung und probabilistischen Inferenz. Infolgedessen stellt die vorliegende Arbeit eine probabilistische Erweiterung für Bézierkurven ($\mathcal{N}$-Kurven) als Basis für die Modellierung zeitkontinuierlicher stochastischer Prozesse mit beschränkter Indexmenge vor. Das vorgestellte Modell, bezeichnet als $\mathcal{N}$-Kurven - Modell, basiert auf Mixture Density Netzwerken (MDN) und Bézierkurven, welche Kurvenkontrollpunkte als normalverteilt annehmen. Die Verwendung eines MDN-basierten Ansatzes steht im Einklang mit aktuellen Versuchen, Unsicherheitsschätzung als Regressionsproblem auszulegen, und ergibt ein generisches Modell, welches allgemein als Basismodell für die probabilistische Sequenzmodellierung einsetzbar ist. Ein wesentlicher Vorteil des Modells ist unter anderem die Möglichkeit glatte, multi-modale Vorhersagen in einem einzigen Inferenzschritt zu generieren, ohne dabei Monte Carlo Simulationen zu benötigen. Durch die Verwendung von Bézierkurven als Basis, kann das Modell außerdem theoretisch für beliebig hohe Datendimensionen verwendet werden, indem die Kontrollpunkte in einen hochdimensionalen Raum eingebettet werden. Um die durch den Fokus auf beschränkte Indexmengen existierenden theoretischen Einschränkungen aufzuheben, wird zusätzlich eine konzeptionelle Erweiterung für das $\mathcal{N}$-Kurven - Modell vorgestellt, mit der unendliche stochastische Prozesse modelliert werden können. Wesentliche Eigenschaften des vorgestellten Modells und dessen Erweiterung werden auf verschiedenen Beispielen zur Sequenzsynthese gezeigt. Aufgrund der hinreichenden Anwendbarkeit des $\mathcal{N}$-Kurven - Modells auf die meisten Anwendungsfälle, wird dessen Tauglichkeit umfangreich auf verschiedenen Mehrschrittprädiktionsaufgaben unter Verwendung realer Daten evaluiert. Zunächst wird das Modell gegen häufig verwendete probabilistische Sequenzmodelle im Kontext der Vorhersage von Fußgängertrajektorien evaluiert, wobei es sämtliche Vergleichsmodelle übertrifft. In einer qualitativen Auswertung wird das Verhalten des Modells in einem Vorhersagekontext untersucht. Außerdem werden Schwierigkeiten bei der Bewertung probabilistischer Sequenzmodelle in einem multimodalen Setting diskutiert. Darüber hinaus wird das Modell im Kontext der Vorhersage menschlicher Bewegungen angewendet, um die angestrebte Skalierbarkeit des Modells auf höherdimensionale Daten zu bewerten. Bei dieser Aufgabe übertrifft das Modell allgemein verwendete einfache und auf neuronalen Netzen basierende Grundmodelle und ist in verschiedenen Situationen auf Augenhöhe mit verschiedenen State-of-the-Art-Modellen, was die Einsetzbarkeit in diesem höherdimensionalen Beispiel zeigt. Des Weiteren werden Schwierigkeiten bei der Kovarianzschätzung und die Glättungseigenschaften des $\mathcal{N}$-Kurven - Modells diskutiert

Machine Learning for Fluid Mechanics

The field of fluid mechanics is rapidly advancing, driven by unprecedented volumes of data from field measurements, experiments and large-scale simulations at multiple spatiotemporal scales. Machine learning offers a wealth of techniques to extract information from data that could be translated into knowledge about the underlying fluid mechanics. Moreover, machine learning algorithms can augment domain knowledge and automate tasks related to flow control and optimization. This article presents an overview of past history, current developments, and emerging opportunities of machine learning for fluid mechanics. It outlines fundamental machine learning methodologies and discusses their uses for understanding, modeling, optimizing, and controlling fluid flows. The strengths and limitations of these methods are addressed from the perspective of scientific inquiry that considers data as an inherent part of modeling, experimentation, and simulation. Machine learning provides a powerful information processing framework that can enrich, and possibly even transform, current lines of fluid mechanics research and industrial applications.Comment: To appear in the Annual Reviews of Fluid Mechanics, 202

Probabilistic Parametric Curves for Sequence Modeling

This work proposes a probabilistic extension to Bézier curves as a basis for effectively modeling stochastic processes with a bounded index set. The proposed stochastic process model is based on Mixture Density Networks and Bézier curves with Gaussian random variables as control points. A key advantage of this model is given by the ability to generate multi-mode predictions in a single inference step, thus avoiding the need for Monte Carlo simulation