Real-time tracking of multiple objects with locally adaptive correlation filters

A tracking algorithm using locally adaptive correlation filtering is proposed. The algorithm is designed to track multiple objects withinvariancetopose,occlusion,clutter,andilluminationvariations. Thealgorithmemploysapredictionschemeandcomposite correlationfilters. Thefiltersaresynthesizedwiththehelpofaniterativealgorithm,whichoptimizesdiscriminationcapabilityfor each target. The filters are adapted online to targets changes using information of current and past scene frames. Results obtained with the proposed algorithm using real-life scenes, are presented and compared with those obtained with state-of-the-art tracking methods in terms of detection efficiency, tracking accuracy, and speed of processing.This work was supported by the Russian Science Foundation, grant no. 15-19-10010

Persistent homology-based gait recognition robust to upper body variations

Gait recognition is nowadays an important biometric technique for video surveillance tasks, due to the advantage of using it at distance. However, when the upper body movements are unrelated to the natural dynamic of the gait, caused for example by carrying a bag or wearing a coat, the reported results show low accuracy. With the goal of solving this problem, we apply persistent homology to extract topological features from the lowest fourth part of the body silhouettes. To obtain the features, we modify our previous algorithm for gait recognition, to improve its efficacy and robustness to variations in the amount of simplices of the gait complex. We evaluate our approach using the CASIA-B dataset, obtaining a considerable accuracy improvement of 93:8%, achieving at the same time invariance to upper body movements unrelated with the dynamic of the gait.Ministerio de Economía y Competitividad MTM2015-67072-

Persistent-homology-based gait recognition

Gait recognition is an important biometric technique for video surveillance tasks, due to the advantage of using it at distance. In this paper, we present a persistent homology-based method to extract topological features (the so-called topological gait signature) from the the body silhouettes of a gait sequence. It has been used before in sev- eral conference papers of the same authors for human identi cation, gender classi cation, carried object detection and monitoring human activities at distance. The novelty of this paper is the study of the sta- bility of the topological gait signature under small perturbations and the number of gait cycles contained in a gait sequence. In other words, we show that the topological gait signature is robust to the presence of noise in the body silhouettes and to the number of gait cycles con- tained in a given gait sequence. We also show that computing our topological gait signature of only the lowest fourth part of the body silhouette, we avoid the upper body movements that are unrelated to the natural dynamic of the gait, caused for example by carrying a bag or wearing a coat.Ministerio de Economía y Competitividad MTM2015-67072-

Topological signature for periodic motion recognition

In this paper, we present an algorithm that computes the topological signature for a given periodic motion sequence. Such signature consists of a vector obtained by persistent homology which captures the topological and geometric changes of the object that models the motion. Two topological signatures are compared simply by the angle between the corresponding vectors. With respect to gait recognition, we have tested our method using only the lowest fourth part of the body's silhouette. In this way, the impact of variations in the upper part of the body, which are very frequent in real scenarios, decreases considerably. We have also tested our method using other periodic motions such as running or jumping. Finally, we formally prove that our method is robust to small perturbations in the input data and does not depend on the number of periods contained in the periodic motion sequence.Comment: arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:1707.0698

Complete lattice projection autoassociative memories

Orientador: Marcos Eduardo Ribeiro do Valle MesquitaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação CientíficaResumo: A capacidade do cérebro humano de armazenar e recordar informações por associação tem inspirado o desenvolvimento de modelos matemáticos referidos na literatura como memórias associativas. Em primeiro lugar, esta tese apresenta um conjunto de memórias autoassociativas (AMs) que pertecem à ampla classe das memórias morfológicas autoassociativas (AMMs). Especificamente, as memórias morfológicas autoassociativas de projeção max-plus e min-plus (max-plus e min-plus PAMMs), bem como suas composições, são introduzidas nesta tese. Tais modelos podem ser vistos como versões não distribuídas das AMMs propostas por Ritter e Sussner. Em suma, a max-plus PAMM produz a maior combinação max-plus das memórias fundamentais que é menor ou igual ao padrão de entrada. Dualmente, a min-plus PAMM projeta o padrão de entrada no conjunto de todas combinações min-plus. Em segundo, no contexto da teoria dos conjuntos fuzzy, esta tese propõe novas memórias autoassociativas fuzzy, referidas como classe das max-C e min-D FPAMMs. Uma FPAMM representa uma rede neural morfológica fuzzy com uma camada oculta de neurônios que é concebida para o armazenamento e recordação de conjuntos fuzzy ou vetores num hipercubo. Experimentos computacionais relacionados à classificação de padrões e reconhecimento de faces indicam possíveis aplicações dos novos modelos acima mencionadosAbstract: The human brain¿s ability to store and recall information by association has inspired the development various mathematical models referred to in the literature as associative memories. Firstly, this thesis presents a set of autoassociative memories (AMs) that belong to the broad class of autoassociative morphological memories (AMMs). Specifically, the max-plus and min-plus projection autoassociative morphological memories (max-plus and min-plus PAMMs), as well as their compositions, are introduced in this thesis. These models are non-distributed versions of the AMM models developed by Ritter and Sussner. Briefly, the max-plus PAMM yields the largest max-plus combination of the stored vectors which is less than or equal to the input pattern. Dually, the min-plus PAMM projects the input pattern into the set of all min-plus combinations. In second, in the context of fuzzy set theory, this thesis proposes new fuzzy autoassociative memories mentioned as class of the max-C and min-D FPAMMs. A FPAMM represents a fuzzy morphological neural network with a hidden layer of neurons that is designed for the storage and retrieval of fuzzy sets or vectors on a hypercube. Computational experiments concerning pattern classification and face recognition indicate possible applications of the aforementioned new AM modelsDoutoradoMatematica AplicadaDoutor em Matemática AplicadaCAPE

Proposta de uma plataforma de imageamento microscópico portátil baseada em holografia digital inline

Orientador : Prof. Dr. Aldo Von WangenheimTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa: Curitiba, 29/01/2015Inclui referênciasResumo: Nesta tese o desenvolvimento de tecnologias de imageamento sem-lentes utilizando o conceito de holografia digital inline para o enfoque microscópico é apresentado. Na formação de imagem sem lentes, o princípio do imageamento por sombras é utilizado, onde as amostras são iluminadas por uma fonte de luz, e sombras contendo as assinaturas das partículas no plano-objeto são projetadas e capturadas em um meio detector eletrônico. Pelo uso de um sistema espacialmente e temporalmente coerente de iluminação, o princípio da difração de onda é aplicado, e assinaturas de padrões de interferências holográficas são projetadas ao invés de somente sombras com assinaturas espaciais. Este conceito denomina-se de holografia digital inline, e métodos numéricos são requeridos para a conversão do sinal holográfico em informação morfológica do plano-objeto. Embora explorada bastante recentemente, a holografia digital inline possibilita horizontes para uma vasta gama de aplicações que envolvem a miniaturização de microscópios em plataformas portáteis, que por sua vez são facilmente integradas com recursos computacionais. Nesta tese de doutorado são propostas 2 plataformas distintas baseadas em holografia digital inline: (i) plataforma holográfica com melhoramento da resolução das assinaturas holográficas por meio de técnicas de super-resolução, (ii) plataforma holográfica para o processamento de vídeo em altas taxas de amostragem. A primeira plataforma é baseada na premissa do deslocamento da fonte luminosa, realizando a computação de uma imagem holográfica em alta-resolução a partir de um conjunto de múltiplas observações da mesma cena. Métodos de registro das imagens holográficas são utilizados, seguidos por um procedimento de otimização do alinhamento inspirado em modelos variacionais de energia. Um framework bio-inspirado é utilizado para minimizar a função em relação a um termo de fidelidade e uma medida de sharpness, e encontrar a solução de ótimo global de alinhamento das imagens. A cena é aproximadamente planar, e somente amostras estáticas são utilizadas neste contexto. Para os hologramas em alta-resolução, métodos computacionais numéricos baseados em recuperação de fase são aplicados para difração do sinal de onda e recuperar as informações geométricas da amostra analisada. A plataforma holográfica foi validada com amostras biológicas de células humanas reprodutoras masculinas, onde a confirmação microscópica foi obtida através de um microscópio óptico convencional, apresentando alta correlação com a imagem de campo de brilho (bright-field ). Os resultados obtidos mostram uma resolução espacial de ?1?m sobre um campo máximo de visão de ?30mm2. Diferentemente das abordagens descritas da literatura, somente uma fonte de iluminação é utilizada para melhoramento da resolução, bem como os métodos de registro e minimização são especificamente designados para incrementar o sinal holográfico da propagação da onda. A segunda plataforma apresenta como enfoque a visualização de amostras biológicas in-situ, como uma ferramenta de propósito geral de imageamento em meio fluídico. A plataforma para vídeo holográfico é mais simples que a plataforma com melhoramento de resolução, e esta pode ser miniaturizada em apenas alguns centímetros cúbicos com resolução de algumas frações de micrômetros. Os experimentos nesta plataforma foram conduzidos principalmente na inspeção de micro-organismos existentes em amostras de água, onde uma série de espécimens podem ser verificados. A vantagem de uma plataforma holográfica em vídeo é o imageamento de estruturas em 4D (volume e tempo), onde um simples vídeo pode ser analisado repetidamente em diferentes pontos de difração. Palavras-chave: Holografia Digital inline, Super-Resolução em Multi-Frame, Vídeo Holográfico, Plataformas de Diagnóstico em Point-of-Care, Imageamento Sem-Lentes.Abstract: In this doctoral's dissertation, lensless imaging technologies based on the digital inline holography concept were developed for the biological microscopy context. From a lensless image formation point-of-view, the shadow imaging principle is used, where the samples are illuminated by a light-source, and shadows containing particle's signatures are projected from the object-plane to an electronic detector. By using a temporal and spatial coherent illumination system, the diffraction-wave principle is applied, and interference holographic patterns are projected, instead of simple spatial signature shadows only. This concept is the so-called digital inline holography, and numerical methods should be used to convert holographic signals into morphological details of the object-plane. Digital inline holography has been explored very recently, opening a wide range of new applications involving the miniaturization of imaging devices into portable platforms, that can be easily integrated with computational resources. In this doctoral's dissertation two distinct platforms based on digital inline holography are presented: (i) holographic platform based on resolution improvement of the holographic signatures, (ii) holographic platform for video processing using high-frame rate sampling. The first platform is based on the premise of computing a higher resolution holographic image from a set of multiple observations of the scene. Image registration methods for the holographic images are used, followed by an optimization approach inspired on variational models of energy equation. A bio-inspired framework is used to minimize this function based on a fidelity term and a sharpness measure, and its minimization is used to find a global optimum solution for the alignment problem. The scene is approximately planar, and static samples can be imaged in this platform. For the high-resolution holograms, numerical diffraction methods are used to recover the phase information, and consequently the morphological information of the analyzed sample. The holographic platform was validated using biological human samples corresponding to reproductive male cells (sperm) using a conventional optical microscope, showing a high correlation with the bright-field microscopy image. The obtained results show a spatial resolution of ?1?m in a field-of-view corresponding to ?30mm2. Differently from the state-of-the-art approaches, this method is based on a single shifted light-source where arbitrary displacements are registered into a single frame, using a combined optimization approach. The second approach has the biological visualization of in-situ specimens in focus. This platform is presented as a generic tool for the visualization of live microorganism in a fluidic mean, being simpler than the previously described platform. On the other hand, this platform can be easily miniaturized into a few cubic centimetres, having resolution of a few microns. Experimental results in this platform were conducted based on the inspection of free-living microorganism in water samples, where several specimens can be observed. A goal of this video holographic platform is the 4D imaging (volume over time), where a single captured video can be repeatedly analyzed for different object-plane diffraction distances. Keywords: Digital Inline Holography, Multi-Frame Super-Resolution, Holographic Video, Point-of-Care Diagnostic Platforms, Lensless Imaging