On The Potential of Image Moments for Medical Diagnosis

Medical imaging is widely used for diagnosis and postoperative or post-therapy monitoring. The ever-increasing number of images produced has encouraged the introduction of automated methods to assist doctors or pathologists. In recent years, especially after the advent of convolutional neural networks, many researchers have focused on this approach, considering it to be the only method for diagnosis since it can perform a direct classification of images. However, many diagnostic systems still rely on handcrafted features to improve interpretability and limit resource consumption. In this work, we focused our efforts on orthogonal moments, first by providing an overview and taxonomy of their macrocategories and then by analysing their classification performance on very different medical tasks represented by four public benchmark data sets. The results confirmed that convolutional neural networks achieved excellent performance on all tasks. Despite being composed of much fewer features than those extracted by the networks, orthogonal moments proved to be competitive with them, showing comparable and, in some cases, better performance. In addition, Cartesian and harmonic categories provided a very low standard deviation, proving their robustness in medical diagnostic tasks. We strongly believe that the integration of the studied orthogonal moments can lead to more robust and reliable diagnostic systems, considering the performance obtained and the low variation of the results. Finally, since they have been shown to be effective on both magnetic resonance and computed tomography images, they can be easily extended to other imaging techniques

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

Machine learning methods for sign language recognition: a critical review and analysis.

Sign language is an essential tool to bridge the communication gap between normal and hearing-impaired people. However, the diversity of over 7000 present-day sign languages with variability in motion position, hand shape, and position of body parts making automatic sign language recognition (ASLR) a complex system. In order to overcome such complexity, researchers are investigating better ways of developing ASLR systems to seek intelligent solutions and have demonstrated remarkable success. This paper aims to analyse the research published on intelligent systems in sign language recognition over the past two decades. A total of 649 publications related to decision support and intelligent systems on sign language recognition (SLR) are extracted from the Scopus database and analysed. The extracted publications are analysed using bibliometric VOSViewer software to (1) obtain the publications temporal and regional distributions, (2) create the cooperation networks between affiliations and authors and identify productive institutions in this context. Moreover, reviews of techniques for vision-based sign language recognition are presented. Various features extraction and classification techniques used in SLR to achieve good results are discussed. The literature review presented in this paper shows the importance of incorporating intelligent solutions into the sign language recognition systems and reveals that perfect intelligent systems for sign language recognition are still an open problem. Overall, it is expected that this study will facilitate knowledge accumulation and creation of intelligent-based SLR and provide readers, researchers, and practitioners a roadmap to guide future direction

Biologically motivated keypoint detection for RGB-D data

With the emerging interest in active vision, computer vision researchers have been increasingly concerned with the mechanisms of attention. Therefore, several visual attention computational models inspired by the human visual system, have been developed, aiming at the detection of regions of interest in images. This thesis is focused on selective visual attention, which provides a mechanism for the brain to focus computational resources on an object at a time, guided by low-level image properties (Bottom-Up attention). The task of recognizing objects in different locations is achieved by focusing on different locations, one at a time. Given the computational requirements of the models proposed, the research in this area has been mainly of theoretical interest. More recently, psychologists, neurobiologists and engineers have developed cooperation's and this has resulted in considerable benefits. The first objective of this doctoral work is to bring together concepts and ideas from these different research areas, providing a study of the biological research on human visual system and a discussion of the interdisciplinary knowledge in this area, as well as the state-of-art on computational models of visual attention (bottom-up). Normally, the visual attention is referred by engineers as saliency: when people fix their look in a particular region of the image, that's because that region is salient. In this research work, saliency methods are presented based on their classification (biological plausible, computational or hybrid) and in a chronological order. A few salient structures can be used for applications like object registration, retrieval or data simplification, being possible to consider these few salient structures as keypoints when aiming at performing object recognition. Generally, object recognition algorithms use a large number of descriptors extracted in a dense set of points, which comes along with very high computational cost, preventing real-time processing. To avoid the problem of the computational complexity required, the features have to be extracted from a small set of points, usually called keypoints. The use of keypoint-based detectors allows the reduction of the processing time and the redundancy in the data. Local descriptors extracted from images have been extensively reported in the computer vision literature. Since there is a large set of keypoint detectors, this suggests the need of a comparative evaluation between them. In this way, we propose to do a description of 2D and 3D keypoint detectors, 3D descriptors and an evaluation of existing 3D keypoint detectors in a public available point cloud library with 3D real objects. The invariance of the 3D keypoint detectors was evaluated according to rotations, scale changes and translations. This evaluation reports the robustness of a particular detector for changes of point-of-view and the criteria used are the absolute and the relative repeatability rate. In our experiments, the method that achieved better repeatability rate was the ISS3D method. The analysis of the human visual system and saliency maps detectors with biological inspiration led to the idea of making an extension for a keypoint detector based on the color information in the retina. Such proposal produced a 2D keypoint detector inspired by the behavior of the early visual system. Our method is a color extension of the BIMP keypoint detector, where we include both color and intensity channels of an image: color information is included in a biological plausible way and multi-scale image features are combined into a single keypoints map. This detector is compared against state-of-art detectors and found particularly well-suited for tasks such as category and object recognition. The recognition process is performed by comparing the extracted 3D descriptors in the locations indicated by the keypoints after mapping the 2D keypoints locations to the 3D space. The evaluation allowed us to obtain the best pair keypoint detector/descriptor on a RGB-D object dataset. Using our keypoint detector and the SHOTCOLOR descriptor a good category recognition rate and object recognition rate were obtained, and it is with the PFHRGB descriptor that we obtain the best results. A 3D recognition system involves the choice of keypoint detector and descriptor. A new method for the detection of 3D keypoints on point clouds is presented and a benchmarking is performed between each pair of 3D keypoint detector and 3D descriptor to evaluate their performance on object and category recognition. These evaluations are done in a public database of real 3D objects. Our keypoint detector is inspired by the behavior and neural architecture of the primate visual system: the 3D keypoints are extracted based on a bottom-up 3D saliency map, which is a map that encodes the saliency of objects in the visual environment. The saliency map is determined by computing conspicuity maps (a combination across different modalities) of the orientation, intensity and color information, in a bottom-up and in a purely stimulusdriven manner. These three conspicuity maps are fused into a 3D saliency map and, finally, the focus of attention (or "keypoint location") is sequentially directed to the most salient points in this map. Inhibiting this location automatically allows the system to attend to the next most salient location. The main conclusions are: with a similar average number of keypoints, our 3D keypoint detector outperforms the other eight 3D keypoint detectors evaluated by achiving the best result in 32 of the evaluated metrics in the category and object recognition experiments, when the second best detector only obtained the best result in 8 of these metrics. The unique drawback is the computational time, since BIK-BUS is slower than the other detectors. Given that differences are big in terms of recognition performance, size and time requirements, the selection of the keypoint detector and descriptor has to be matched to the desired task and we give some directions to facilitate this choice. After proposing the 3D keypoint detector, the research focused on a robust detection and tracking method for 3D objects by using keypoint information in a particle filter. This method consists of three distinct steps: Segmentation, Tracking Initialization and Tracking. The segmentation is made to remove all the background information, reducing the number of points for further processing. In the initialization, we use a keypoint detector with biological inspiration. The information of the object that we want to follow is given by the extracted keypoints. The particle filter does the tracking of the keypoints, so with that we can predict where the keypoints will be in the next frame. In a recognition system, one of the problems is the computational cost of keypoint detectors with this we intend to solve this problem. The experiments with PFBIKTracking method are done indoors in an office/home environment, where personal robots are expected to operate. The Tracking Error evaluates the stability of the general tracking method. We also quantitatively evaluate this method using a "Tracking Error". Our evaluation is done by the computation of the keypoint and particle centroid. Comparing our system that the tracking method which exists in the Point Cloud Library, we archive better results, with a much smaller number of points and computational time. Our method is faster and more robust to occlusion when compared to the OpenniTracker.Com o interesse emergente na visão ativa, os investigadores de visão computacional têm estado cada vez mais preocupados com os mecanismos de atenção. Por isso, uma série de modelos computacionais de atenção visual, inspirado no sistema visual humano, têm sido desenvolvidos. Esses modelos têm como objetivo detetar regiões de interesse nas imagens. Esta tese está focada na atenção visual seletiva, que fornece um mecanismo para que o cérebro concentre os recursos computacionais num objeto de cada vez, guiado pelas propriedades de baixo nível da imagem (atenção Bottom-Up). A tarefa de reconhecimento de objetos em diferentes locais é conseguida através da concentração em diferentes locais, um de cada vez. Dados os requisitos computacionais dos modelos propostos, a investigação nesta área tem sido principalmente de interesse teórico. Mais recentemente, psicólogos, neurobiólogos e engenheiros desenvolveram cooperações e isso resultou em benefícios consideráveis. No início deste trabalho, o objetivo é reunir os conceitos e ideias a partir dessas diferentes áreas de investigação. Desta forma, é fornecido o estudo sobre a investigação da biologia do sistema visual humano e uma discussão sobre o conhecimento interdisciplinar da matéria, bem como um estado de arte dos modelos computacionais de atenção visual (bottom-up). Normalmente, a atenção visual é denominada pelos engenheiros como saliência, se as pessoas fixam o olhar numa determinada região da imagem é porque esta região é saliente. Neste trabalho de investigação, os métodos saliência são apresentados em função da sua classificação (biologicamente plausível, computacional ou híbrido) e numa ordem cronológica. Algumas estruturas salientes podem ser usadas, em vez do objeto todo, em aplicações tais como registo de objetos, recuperação ou simplificação de dados. É possível considerar estas poucas estruturas salientes como pontos-chave, com o objetivo de executar o reconhecimento de objetos. De um modo geral, os algoritmos de reconhecimento de objetos utilizam um grande número de descritores extraídos num denso conjunto de pontos. Com isso, estes têm um custo computacional muito elevado, impedindo que o processamento seja realizado em tempo real. A fim de evitar o problema da complexidade computacional requerido, as características devem ser extraídas a partir de um pequeno conjunto de pontos, geralmente chamados pontoschave. O uso de detetores de pontos-chave permite a redução do tempo de processamento e a quantidade de redundância dos dados. Os descritores locais extraídos a partir das imagens têm sido amplamente reportados na literatura de visão por computador. Uma vez que existe um grande conjunto de detetores de pontos-chave, sugere a necessidade de uma avaliação comparativa entre eles. Desta forma, propomos a fazer uma descrição dos detetores de pontos-chave 2D e 3D, dos descritores 3D e uma avaliação dos detetores de pontos-chave 3D existentes numa biblioteca de pública disponível e com objetos 3D reais. A invariância dos detetores de pontoschave 3D foi avaliada de acordo com variações nas rotações, mudanças de escala e translações. Essa avaliação retrata a robustez de um determinado detetor no que diz respeito às mudanças de ponto-de-vista e os critérios utilizados são as taxas de repetibilidade absoluta e relativa. Nas experiências realizadas, o método que apresentou melhor taxa de repetibilidade foi o método ISS3D. Com a análise do sistema visual humano e dos detetores de mapas de saliência com inspiração biológica, surgiu a ideia de se fazer uma extensão para um detetor de ponto-chave com base na informação de cor na retina. A proposta produziu um detetor de ponto-chave 2D inspirado pelo comportamento do sistema visual. O nosso método é uma extensão com base na cor do detetor de ponto-chave BIMP, onde se incluem os canais de cor e de intensidade de uma imagem. A informação de cor é incluída de forma biológica plausível e as características multi-escala da imagem são combinadas num único mapas de pontos-chave. Este detetor é comparado com os detetores de estado-da-arte e é particularmente adequado para tarefas como o reconhecimento de categorias e de objetos. O processo de reconhecimento é realizado comparando os descritores 3D extraídos nos locais indicados pelos pontos-chave. Para isso, as localizações do pontos-chave 2D têm de ser convertido para o espaço 3D. Isto foi possível porque o conjunto de dados usado contém a localização de cada ponto de no espaço 2D e 3D. A avaliação permitiu-nos obter o melhor par detetor de ponto-chave/descritor num RGB-D object dataset. Usando o nosso detetor de ponto-chave e o descritor SHOTCOLOR, obtemos uma noa taxa de reconhecimento de categorias e para o reconhecimento de objetos é com o descritor PFHRGB que obtemos os melhores resultados. Um sistema de reconhecimento 3D envolve a escolha de detetor de ponto-chave e descritor, por isso é apresentado um novo método para a deteção de pontos-chave em nuvens de pontos 3D e uma análise comparativa é realizada entre cada par de detetor de ponto-chave 3D e descritor 3D para avaliar o desempenho no reconhecimento de categorias e de objetos. Estas avaliações são feitas numa base de dados pública de objetos 3D reais. O nosso detetor de ponto-chave é inspirado no comportamento e na arquitetura neural do sistema visual dos primatas. Os pontos-chave 3D são extraídas com base num mapa de saliências 3D bottom-up, ou seja, um mapa que codifica a saliência dos objetos no ambiente visual. O mapa de saliência é determinada pelo cálculo dos mapas de conspicuidade (uma combinação entre diferentes modalidades) da orientação, intensidade e informações de cor de forma bottom-up e puramente orientada para o estímulo. Estes três mapas de conspicuidade são fundidos num mapa de saliência 3D e, finalmente, o foco de atenção (ou "localização do ponto-chave") está sequencialmente direcionado para os pontos mais salientes deste mapa. Inibir este local permite que o sistema automaticamente orientado para próximo local mais saliente. As principais conclusões são: com um número médio similar de pontos-chave, o nosso detetor de ponto-chave 3D supera os outros oito detetores de pontos-chave 3D avaliados, obtendo o melhor resultado em 32 das métricas avaliadas nas experiências do reconhecimento das categorias e dos objetos, quando o segundo melhor detetor obteve apenas o melhor resultado em 8 dessas métricas. A única desvantagem é o tempo computacional, uma vez que BIK-BUS é mais lento do que os outros detetores. Dado que existem grandes diferenças em termos de desempenho no reconhecimento, de tamanho e de tempo, a seleção do detetor de ponto-chave e descritor tem de ser interligada com a tarefa desejada e nós damos algumas orientações para facilitar esta escolha neste trabalho de investigação. Depois de propor um detetor de ponto-chave 3D, a investigação incidiu sobre um método robusto de deteção e tracking de objetos 3D usando as informações dos pontos-chave num filtro de partículas. Este método consiste em três etapas distintas: Segmentação, Inicialização do Tracking e Tracking. A segmentação é feita de modo a remover toda a informação de fundo, a fim de reduzir o número de pontos para processamento futuro. Na inicialização, usamos um detetor de ponto-chave com inspiração biológica. A informação do objeto que queremos seguir é dada pelos pontos-chave extraídos. O filtro de partículas faz o acompanhamento dos pontoschave, de modo a se poder prever onde os pontos-chave estarão no próximo frame. As experiências com método PFBIK-Tracking são feitas no interior, num ambiente de escritório/casa, onde se espera que robôs pessoais possam operar. Também avaliado quantitativamente este método utilizando um "Tracking Error". A avaliação passa pelo cálculo das centróides dos pontos-chave e das partículas. Comparando o nosso sistema com o método de tracking que existe na biblioteca usada no desenvolvimento, nós obtemos melhores resultados, com um número muito menor de pontos e custo computacional. O nosso método é mais rápido e mais robusto em termos de oclusão, quando comparado com o OpenniTracker