Automatic generation of natural language descriptions of visual data: describing images and videos using recurrent and self-attentive models

Humans are faced with a constant flow of visual stimuli, e.g., from the environment or when looking at social media. In contrast, visually-impaired people are often incapable to perceive and process this advantageous and beneficial information that could help maneuver them through everyday situations and activities. However, audible feedback such as natural language can give them the ability to better be aware of their surroundings, thus enabling them to autonomously master everyday's challenges. One possibility to create audible feedback is to produce natural language descriptions for visual data such as still images and then read this text to the person. Moreover, textual descriptions for images can be further utilized for text analysis (e.g., sentiment analysis) and information aggregation. In this work, we investigate different approaches and techniques for the automatic generation of natural language of visual data such as still images and video clips. In particular, we look at language models that generate textual descriptions with recurrent neural networks: First, we present a model that allows to generate image captions for scenes that depict interactions between humans and branded products. Thereby, we focus on the correct identification of the brand name in a multi-task training setting and present two new metrics that allow us to evaluate this requirement. Second, we explore the automatic answering of questions posed for an image. In fact, we propose a model that generates answers from scratch instead of predicting an answer from a limited set of possible answers. In comparison to related works, we are therefore able to generate rare answers, which are not contained in the pool of frequent answers. Third, we review the automatic generation of doctors' reports for chest X-ray images. That is, we introduce a model that can cope with a dataset bias of medical datasets (i.e., abnormal cases are very rare) and generates reports with a hierarchical recurrent model. We also investigate the correlation between the distinctiveness of the report and the score in traditional metrics and find a discrepancy between good scores and accurate reports. Then, we examine self-attentive language models that improve computational efficiency and performance over the recurrent models. Specifically, we utilize the Transformer architecture. First, we expand the automatic description generation to the domain of videos where we present a video-to-text (VTT) model that can easily synchronize audio-visual features. With an extensive experimental exploration, we verify the effectiveness of our video-to-text translation pipeline. Finally, we revisit our recurrent models with this self-attentive approach

From pixels to people : recovering location, shape and pose of humans in images

Humans are at the centre of a significant amount of research in computer vision. Endowing machines with the ability to perceive people from visual data is an immense scientific challenge with a high degree of direct practical relevance. Success in automatic perception can be measured at different levels of abstraction, and this will depend on which intelligent behaviour we are trying to replicate: the ability to localise persons in an image or in the environment, understanding how persons are moving at the skeleton and at the surface level, interpreting their interactions with the environment including with other people, and perhaps even anticipating future actions. In this thesis we tackle different sub-problems of the broad research area referred to as "looking at people", aiming to perceive humans in images at different levels of granularity. We start with bounding box-level pedestrian detection: We present a retrospective analysis of methods published in the decade preceding our work, identifying various strands of research that have advanced the state of the art. With quantitative exper- iments, we demonstrate the critical role of developing better feature representations and having the right training distribution. We then contribute two methods based on the insights derived from our analysis: one that combines the strongest aspects of past detectors and another that focuses purely on learning representations. The latter method outperforms more complicated approaches, especially those based on hand- crafted features. We conclude our work on pedestrian detection with a forward-looking analysis that maps out potential avenues for future research. We then turn to pixel-level methods: Perceiving humans requires us to both separate them precisely from the background and identify their surroundings. To this end, we introduce Cityscapes, a large-scale dataset for street scene understanding. This has since established itself as a go-to benchmark for segmentation and detection. We additionally develop methods that relax the requirement for expensive pixel-level annotations, focusing on the task of boundary detection, i.e. identifying the outlines of relevant objects and surfaces. Next, we make the jump from pixels to 3D surfaces, from localising and labelling to fine-grained spatial understanding. We contribute a method for recovering 3D human shape and pose, which marries the advantages of learning-based and model- based approaches. We conclude the thesis with a detailed discussion of benchmarking practices in computer vision. Among other things, we argue that the design of future datasets should be driven by the general goal of combinatorial robustness besides task-specific considerations.Der Mensch steht im Zentrum vieler Forschungsanstrengungen im Bereich des maschinellen Sehens. Es ist eine immense wissenschaftliche Herausforderung mit hohem unmittelbarem Praxisbezug, Maschinen mit der Fähigkeit auszustatten, Menschen auf der Grundlage von visuellen Daten wahrzunehmen. Die automatische Wahrnehmung kann auf verschiedenen Abstraktionsebenen erfolgen. Dies hängt davon ab, welches intelligente Verhalten wir nachbilden wollen: die Fähigkeit, Personen auf der Bildfläche oder im 3D-Raum zu lokalisieren, die Bewegungen von Körperteilen und Körperoberflächen zu erfassen, Interaktionen einer Person mit ihrer Umgebung einschließlich mit anderen Menschen zu deuten, und vielleicht sogar zukünftige Handlungen zu antizipieren. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit verschiedenen Teilproblemen die dem breiten Forschungsgebiet "Betrachten von Menschen" gehören. Beginnend mit der Fußgängererkennung präsentieren wir eine Analyse von Methoden, die im Jahrzehnt vor unserem Ausgangspunkt veröffentlicht wurden, und identifizieren dabei verschiedene Forschungsstränge, die den Stand der Technik vorangetrieben haben. Unsere quantitativen Experimente zeigen die entscheidende Rolle sowohl der Entwicklung besserer Bildmerkmale als auch der Trainingsdatenverteilung. Anschließend tragen wir zwei Methoden bei, die auf den Erkenntnissen unserer Analyse basieren: eine Methode, die die stärksten Aspekte vergangener Detektoren kombiniert, eine andere, die sich im Wesentlichen auf das Lernen von Bildmerkmalen konzentriert. Letztere übertrifft kompliziertere Methoden, insbesondere solche, die auf handgefertigten Bildmerkmalen basieren. Wir schließen unsere Arbeit zur Fußgängererkennung mit einer vorausschauenden Analyse ab, die mögliche Wege für die zukünftige Forschung aufzeigt. Anschließend wenden wir uns Methoden zu, die Entscheidungen auf Pixelebene betreffen. Um Menschen wahrzunehmen, müssen wir diese sowohl praezise vom Hintergrund trennen als auch ihre Umgebung verstehen. Zu diesem Zweck führen wir Cityscapes ein, einen umfangreichen Datensatz zum Verständnis von Straßenszenen. Dieser hat sich seitdem als Standardbenchmark für Segmentierung und Erkennung etabliert. Darüber hinaus entwickeln wir Methoden, die die Notwendigkeit teurer Annotationen auf Pixelebene reduzieren. Wir konzentrieren uns hierbei auf die Aufgabe der Umgrenzungserkennung, d. h. das Erkennen der Umrisse relevanter Objekte und Oberflächen. Als nächstes machen wir den Sprung von Pixeln zu 3D-Oberflächen, vom Lokalisieren und Beschriften zum präzisen räumlichen Verständnis. Wir tragen eine Methode zur Schätzung der 3D-Körperoberfläche sowie der 3D-Körperpose bei, die die Vorteile von lernbasierten und modellbasierten Ansätzen vereint. Wir schließen die Arbeit mit einer ausführlichen Diskussion von Evaluationspraktiken im maschinellen Sehen ab. Unter anderem argumentieren wir, dass der Entwurf zukünftiger Datensätze neben aufgabenspezifischen Überlegungen vom allgemeinen Ziel der kombinatorischen Robustheit bestimmt werden sollte