Visual attention and swarm cognition for off-road robots

Tese de doutoramento, Informática (Engenharia Informática), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspiração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formigas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, inspeccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspi- ração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formi- gas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, ins- peccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT,SFRH/BD/27305/2006); Laboratory of Agent Modelling (LabMag

A learning approach to swarm-based path detection and tracking

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresThis dissertation presents a set of top-down modulation mechanisms for the modulation of the swarm-based visual saliency computation process proposed by Santana et al. (2010) in context of path detection and tracking. In the original visual saliency computation process, two swarms of agents sensitive to bottom-up conspicuity information interact via pheromone-like signals so as to converge on the most likely location of the path being sought. The behaviours ruling the agents’motion are composed of a set of perception-action rules that embed top-down knowledge about the path’s overall layout. This reduces ambiguity in the face of distractors. However, distractors with a shape similar to the one of the path being sought can still misguide the system. To mitigate this issue, this dissertation proposes the use of a contrast model to modulate the conspicuity computation and the use of an appearance model to modulate the pheromone deployment. Given the heterogeneity of the paths, these models are learnt online. Using in a modulation context and not in a direct image processing, the complexity of these models can be reduced without hampering robustness. The result is a system computationally parsimonious with a work frequency of 20 Hz. Experimental results obtained from a data set encompassing 39 diverse videos show the ability of the proposed model to localise the path in 98.67 % of the 29789 evaluated frames

Virtual-to-Real-World Transfer Learning for Robots on Wilderness Trails

Robots hold promise in many scenarios involving outdoor use, such as search-and-rescue, wildlife management, and collecting data to improve environment, climate, and weather forecasting. However, autonomous navigation of outdoor trails remains a challenging problem. Recent work has sought to address this issue using deep learning. Although this approach has achieved state-of-the-art results, the deep learning paradigm may be limited due to a reliance on large amounts of annotated training data. Collecting and curating training datasets may not be feasible or practical in many situations, especially as trail conditions may change due to seasonal weather variations, storms, and natural erosion. In this paper, we explore an approach to address this issue through virtual-to-real-world transfer learning using a variety of deep learning models trained to classify the direction of a trail in an image. Our approach utilizes synthetic data gathered from virtual environments for model training, bypassing the need to collect a large amount of real images of the outdoors. We validate our approach in three main ways. First, we demonstrate that our models achieve classification accuracies upwards of 95% on our synthetic data set. Next, we utilize our classification models in the control system of a simulated robot to demonstrate feasibility. Finally, we evaluate our models on real-world trail data and demonstrate the potential of virtual-to-real-world transfer learning.Comment: iROS 201

Deep learning cardiac motion analysis for human survival prediction

Motion analysis is used in computer vision to understand the behaviour of moving objects in sequences of images. Optimising the interpretation of dynamic biological systems requires accurate and precise motion tracking as well as efficient representations of high-dimensional motion trajectories so that these can be used for prediction tasks. Here we use image sequences of the heart, acquired using cardiac magnetic resonance imaging, to create time-resolved three-dimensional segmentations using a fully convolutional network trained on anatomical shape priors. This dense motion model formed the input to a supervised denoising autoencoder (4Dsurvival), which is a hybrid network consisting of an autoencoder that learns a task-specific latent code representation trained on observed outcome data, yielding a latent representation optimised for survival prediction. To handle right-censored survival outcomes, our network used a Cox partial likelihood loss function. In a study of 302 patients the predictive accuracy (quantified by Harrell's C-index) was significantly higher (p < .0001) for our model C=0.73 (95$\%$ CI: 0.68 - 0.78) than the human benchmark of C=0.59 (95$\%$ CI: 0.53 - 0.65). This work demonstrates how a complex computer vision task using high-dimensional medical image data can efficiently predict human survival

Vision based trail detection for all-terrain robots

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresEsta dissertação propõe um modelo para detecção de trilhos baseado na observação de que estes são estruturas salientes no campo visual do robô. Devido à complexidade dos ambientes naturais, uma aplicação directa dos modelos tradicionais de saliência visual não é suficientemente robusta para prever a localização dos trilhos. Tal como noutras tarefas de detecção, a robustez pode ser aumentada através da modulação da computação da saliência com conhecimento implícito acerca das características visuais (e.g. cor) que permitem uma melhor representação do objecto a encontrar. Esta dissertação propõe o uso da estrutura global do objecto, sendo esta uma característica mais estável e previsível para o caso de trilhos naturais. Esta nova componente de conhecimento implícito é especificada em termos de regras de percepção activa, que controlam o comportamento de agentes simples que se comportam em conjunto para computar o mapa de saliência da imagem de entrada. Para o propósito de acumulação de informação histórica acerca da localização do trilho é utilizado um campo neuronal dinâmico com compensação de movimento. Resultados experimentais num conjunto de dados vasto revelam a habilidade do modelo de produzir uma taxa de sucesso de 91% a 20Hz. O modelo demonstra ser robusto em situações onde outros detectores falhariam, tal como quando o trilho não emerge da parte de baixo da imagem, ou quando se encontra consideravelmente interrompido