Metaheuristic Optimization Techniques for Articulated Human Tracking

Four adaptive metaheuristic optimization algorithms are proposed and demonstrated: Adaptive Parameter Particle Swarm Optimization (AP-PSO), Modified Artificial Bat (MAB), Differential Mutated Artificial Immune System (DM-AIS) and hybrid Particle Swarm Accelerated Artificial Immune System (PSO-AIS). The algorithms adapt their search parameters on the basis of the fitness of obtained solutions such that a good fitness value favors local search, while a poor fitness value favors global search. This efficient feedback of the solution quality, imparts excellent global and local search characteristic to the proposed algorithms. The algorithms are tested on the challenging Articulated Human Tracking (AHT) problem whose objective is to infer human pose, expressed in terms of joint angles, from a continuous video stream. The Particle Filter (PF) algorithms, widely applied in generative model based AHT, suffer from the 'curse of dimensionality' and 'degeneracy' challenges. The four proposed algorithms show stable performance throughout the course of numerical experiments. DM-AIS performs best among the proposed algorithms followed in order by PSO-AIS, AP-PSO, and MBA in terms of Most Appropriate Pose (MAP) tracking error. The MAP tracking error of the proposed algorithms is compared with four heuristic approaches: generic PF, Annealed Particle Filter (APF), Partitioned Sampled Annealed Particle Filter (PSAPF) and Hierarchical Particle Swarm Optimization (HPSO). They are found to outperform generic PF with a confidence level of 95%, PSAPF and HPSO with a confidence level of 85%. While DM-AIS and PSO-AIS outperform APF with a confidence level of 80%. Further, it is noted that the proposed algorithms outperform PSAPF and HPSO using a significantly lower number of function evaluations, 2500 versus 7200. The proposed algorithms demonstrate reduced particle requirements, hence improving computational efficiency and helping to alleviate the 'curse of dimensionality'. The adaptive nature of the algorithms is found to guide the whole swarm towards the optimal solution by sharing information and exploring a wider solution space which resolves the 'degeneracy' challenge. Furthermore, the decentralized structure of the algorithms renders them insensitive to accumulation of error and allows them to recover from catastrophic failures due to loss of image data, sudden change in motion pattern or discrete instances of algorithmic failure. The performance enhancements demonstrated by the proposed algorithms, attributed to their balanced local and global search capabilities, makes real-time AHT applications feasible. Finally, the utility of the proposed algorithms in low-dimensional system identification problems as well as high-dimensional AHT problems demonstrates their applicability in various problem domains

Adaptive classifier ensembles for face recognition in video-surveillance

Lors de l’implémentation de systèmes de sécurité tels que la vidéo-surveillance intelligente, l’utilisation d’images de visages présente de nombreux avantages par rapport à d’autres traits biométriques. En particulier, cela permet de détecter d’éventuels individus d’intérêt de manière discrète et non intrusive, ce qui peut être particulièrement avantageux dans des situations comme la détection d’individus sur liste noire, la recherche dans des données archivées ou la ré-identification de visages. Malgré cela, la reconnaissance de visages reste confrontée à de nombreuses difficultés propres à la vidéo surveillance. Entre autres, le manque de contrôle sur l’environnement observé implique de nombreuses variations dans les conditions d’éclairage, la résolution de l’image, le flou de mouvement, l’orientation et l’expression des visages. Pour reconnaître des individus, des modèles de visages sont habituellement générés à l’aide d’un nombre limité d’images ou de vidéos de référence collectées lors de sessions d’inscription. Cependant, ces acquisitions ne se déroulant pas nécessairement dans les mêmes conditions d’observation, les données de référence représentent pas toujours la complexité du problème réel. D’autre part, bien qu’il soit possible d’adapter les modèles de visage lorsque de nouvelles données de référence deviennent disponibles, un apprentissage incrémental basé sur des données significativement différentes expose le système à un risque de corruption de connaissances. Enfin, seule une partie de ces connaissances est effectivement pertinente pour la classification d’une image donnée. Dans cette thèse, un nouveau système est proposé pour la détection automatique d’individus d’intérêt en vidéo-surveillance. Plus particulièrement, celle-ci se concentre sur un scénario centré sur l’utilisateur, où un système de reconnaissance de visages est intégré à un outil d’aide à la décision pour alerter un opérateur lorsqu’un individu d’intérêt est détecté sur des flux vidéo. Un tel système se doit d’être capable d’ajouter ou supprimer des individus d’intérêt durant son fonctionnement, ainsi que de mettre à jour leurs modèles de visage dans le temps avec des nouvelles données de référence. Pour cela, le système proposé se base sur de la détection de changement de concepts pour guider une stratégie d’apprentissage impliquant des ensembles de classificateurs. Chaque individu inscrit dans le système est représenté par un ensemble de classificateurs à deux classes, chacun étant spécialisé dans des conditions d’observation différentes, détectées dans les données de référence. De plus, une nouvelle règle pour la fusion dynamique d’ensembles de classificateurs est proposée, utilisant des modèles de concepts pour estimer la pertinence des classificateurs vis-à-vis de chaque image à classifier. Enfin, les visages sont suivis d’une image à l’autre dans le but de les regrouper en trajectoires, et accumuler les décisions dans le temps. Au Chapitre 2, la détection de changement de concept est dans un premier temps utilisée pour limiter l’augmentation de complexité d’un système d’appariement de modèles adoptant une stratégie de mise à jour automatique de ses galeries. Une nouvelle approche sensible au contexte est proposée, dans laquelle seules les images de haute confiance capturées dans des conditions d’observation différentes sont utilisées pour mettre à jour les modèles de visage. Des expérimentations ont été conduites avec trois bases de données de visages publiques. Un système d’appariement de modèles standard a été utilisé, combiné avec un module de détection de changement dans les conditions d’illumination. Les résultats montrent que l’approche proposée permet de diminuer la complexité de ces systèmes, tout en maintenant la performance dans le temps. Au Chapitre 3, un nouveau système adaptatif basé des ensembles de classificateurs est proposé pour la reconnaissance de visages en vidéo-surveillance. Il est composé d’un ensemble de classificateurs incrémentaux pour chaque individu inscrit, et se base sur la détection de changement de concepts pour affiner les modèles de visage lorsque de nouvelles données sont disponibles. Une stratégie hybride est proposée, dans laquelle des classificateurs ne sont ajoutés aux ensembles que lorsqu’un changement abrupt est détecté dans les données de référence. Lors d’un changement graduel, les classificateurs associés sont mis à jour, ce qui permet d’affiner les connaissances propres au concept correspondant. Une implémentation particulière de ce système est proposée, utilisant des ensembles de classificateurs de type Fuzzy-ARTMAP probabilistes, générés et mis à jour à l’aide d’une stratégie basée sur une optimisation par essaims de particules dynamiques, et utilisant la distance de Hellinger entre histogrammes pour détecter des changements. Les simulations réalisées sur la base de donnée de vidéo-surveillance Faces in Action (FIA) montrent que le système proposé permet de maintenir un haut niveau de performance dans le temps, tout en limitant la corruption de connaissance. Il montre des performances de classification supérieure à un système similaire passif (sans détection de changement), ainsi qu’a des systèmes de référence de type kNN probabiliste, et TCM-kNN. Au Chapitre 4, une évolution du système présenté au Chapitre 3 est proposée, intégrant des mécanismes permettant d’adapter dynamiquement le comportement du système aux conditions d’observation changeantes en mode opérationnel. Une nouvelle règle de fusion basée sur de la pondération dynamique est proposée, assignant à chaque classificateur un poids proportionnel à son niveau de compétence estimé vis-à-vis de chaque image à classifier. De plus, ces compétences sont estimées à l’aide des modèles de concepts utilisés en apprentissage pour la détection de changement, ce qui permet un allègement des ressources nécessaires en mode opérationnel. Une évolution de l’implémentation proposée au Chapitre 3 est présentée, dans laquelle les concepts sont modélisés à l’aide de l’algorithme de partitionnement Fuzzy C-Means, et la fusion de classificateurs réalisée avec une moyenne pondérée. Les simulation expérimentales avec les bases de données de vidéo-surveillance FIA et Chokepoint montrent que la méthode de fusion proposée permet d’obtenir des résultats supérieurs à la méthode de sélection dynamique DSOLA, tout en utilisant considérablement moins de ressources de calcul. De plus, la méthode proposée montre des performances de classification supérieures aux systèmes de référence de type kNN probabiliste, TCM-kNN et Adaptive Sparse Coding

Computational intelligence approaches to robotics, automation, and control [Volume guest editors]

No abstract available

Fractional Order Fuzzy Control of Nuclear Reactor Power with Thermal-Hydraulic Effects in the Presence of Random Network Induced Delay and Sensor Noise having Long Range Dependence

This is the author accepted manuscript. The final version is available from Elsevier via the DOI in this record.Nonlinear state space modeling of a nuclear reactor has been done for the purpose of controlling its global power in load following mode. The nonlinear state space model has been linearized at different percentage of reactor powers and a novel fractional order (FO) fuzzy proportional integral derivative (PID) controller is designed using real coded Genetic Algorithm (GA) to control the reactor power level at various operating conditions. The effectiveness of using the fuzzy FOPID controller over conventional fuzzy PID controllers has been shown with numerical simulations. The controllers tuned with the highest power models are shown to work well at other operating conditions as well; over the lowest power model based design and hence are robust with respect to the changes in nuclear reactor operating power levels. This paper also analyzes the degradation of nuclear reactor power signal due to network induced random delays in shared communication network and due to sensor noise while being fed-back to the Reactor Regulating System (RRS). The effect of long range dependence (LRD) which is a practical consideration for the stochastic processes like network induced delay and sensor noise has been tackled by optimum tuning of FO fuzzy PID controllers using GA, while also taking the operating point shift into consideration