Synthetic Aperture Radar (SAR) Meets Deep Learning

This reprint focuses on the application of the combination of synthetic aperture radars and depth learning technology. It aims to further promote the development of SAR image intelligent interpretation technology. A synthetic aperture radar (SAR) is an important active microwave imaging sensor, whose all-day and all-weather working capacity give it an important place in the remote sensing community. Since the United States launched the first SAR satellite, SAR has received much attention in the remote sensing community, e.g., in geological exploration, topographic mapping, disaster forecast, and traffic monitoring. It is valuable and meaningful, therefore, to study SAR-based remote sensing applications. In recent years, deep learning represented by convolution neural networks has promoted significant progress in the computer vision community, e.g., in face recognition, the driverless field and Internet of things (IoT). Deep learning can enable computational models with multiple processing layers to learn data representations with multiple-level abstractions. This can greatly improve the performance of various applications. This reprint provides a platform for researchers to handle the above significant challenges and present their innovative and cutting-edge research results when applying deep learning to SAR in various manuscript types, e.g., articles, letters, reviews and technical reports

A Comprehensive Review on Computer Vision Analysis of Aerial Data

With the emergence of new technologies in the field of airborne platforms and imaging sensors, aerial data analysis is becoming very popular, capitalizing on its advantages over land data. This paper presents a comprehensive review of the computer vision tasks within the domain of aerial data analysis. While addressing fundamental aspects such as object detection and tracking, the primary focus is on pivotal tasks like change detection, object segmentation, and scene-level analysis. The paper provides the comparison of various hyper parameters employed across diverse architectures and tasks. A substantial section is dedicated to an in-depth discussion on libraries, their categorization, and their relevance to different domain expertise. The paper encompasses aerial datasets, the architectural nuances adopted, and the evaluation metrics associated with all the tasks in aerial data analysis. Applications of computer vision tasks in aerial data across different domains are explored, with case studies providing further insights. The paper thoroughly examines the challenges inherent in aerial data analysis, offering practical solutions. Additionally, unresolved issues of significance are identified, paving the way for future research directions in the field of aerial data analysis.Comment: 112 page

Embarking on the Autonomous Journey: A Strikingly Engineered Car Control System Design

openThis thesis develops an autonomous car control system with Raspberry Pi. Two predictive models are implemented: a convolutional neural network (CNN) using machine learning and an input-based decision tree model using sensor data. The Raspberry Module controls the car hardware and acquires real-time camera data with OpenCV. A dedicated web server and event stream processor process data in real-time using the trained neural network model, facilitating real-time decision-making. Unity and Meta Quest 2 VR set create the VR interface, while a generic DIY kit from Amazon and Raspberry PI provide the car hardware inputs. This research demonstrates the potential of VR in automotive communication, enhancing autonomous car testing and user experience.This thesis develops an autonomous car control system with Raspberry Pi. Two predictive models are implemented: a convolutional neural network (CNN) using machine learning and an input-based decision tree model using sensor data. The Raspberry Module controls the car hardware and acquires real-time camera data with OpenCV. A dedicated web server and event stream processor process data in real-time using the trained neural network model, facilitating real-time decision-making. Unity and Meta Quest 2 VR set create the VR interface, while a generic DIY kit from Amazon and Raspberry PI provide the car hardware inputs. This research demonstrates the potential of VR in automotive communication, enhancing autonomous car testing and user experience

Exploiting Spatio-Temporal Coherence for Video Object Detection in Robotics

This paper proposes a method to enhance video object detection for indoor environments in robotics. Concretely, it exploits knowledge about the camera motion between frames to propagate previously detected objects to successive frames. The proposal is rooted in the concepts of planar homography to propose regions of interest where to find objects, and recursive Bayesian filtering to integrate observations over time. The proposal is evaluated on six virtual, indoor environments, accounting for the detection of nine object classes over a total of ∼ 7k frames. Results show that our proposal improves the recall and the F1-score by a factor of 1.41 and 1.27, respectively, as well as it achieves a significant reduction of the object categorization entropy (58.8%) when compared to a two-stage video object detection method used as baseline, at the cost of small time overheads (120 ms) and precision loss (0.92).</p

LiDAR Domain Adaptation - Automotive 3D Scene Understanding

Umgebungswahrnehmung und Szeneverständnis spielen bei autonomen Fahrzeugen eine wesentliche Rolle. Ein Fahrzeug muss sich der Geometrie und Semantik seiner Umgebung bewusst sein, um das Verhalten anderer Verkehrsteilnehmer:innen vorherzusagen und sich selbst im fahrbaren Raum zu lokalisieren, um somit richtig zu navigieren. Heutzutage verwenden praktisch alle modernen Wahrnehmungssysteme für das automatisierte Fahren tiefe neuronale Netze. Um diese zu trainieren, werden enorme Datenmengen mit passenden Annotationen benötigt. Die Beschaffung der Daten ist relativ unaufwendig, da nur ein mit den richtigen Sensoren ausgestattetes Fahrzeug herumfahren muss. Die Erstellung von Annotationen ist jedoch ein sehr zeitaufwändiger und teurer Prozess. Erschwerend kommt hinzu, dass autonome Fahrzeuge praktisch überall (z.B. Europa und Asien, auf dem Land und in der Stadt) und zu jeder Zeit (z.B. Tag und Nacht, Sommer und Winter, Regen und Nebel) eingesetzt werden müssen. Dies erfordert, dass die Daten eine noch größere Anzahl unterschiedlicher Szenarien und Domänen abdecken. Es ist nicht praktikabel, Daten für eine solche Vielzahl von Domänen zu sammeln und zu annotieren. Wenn jedoch nur mit Daten aus einer Domäne trainiert wird, führt dies aufgrund von Unterschieden in den Daten zu einer schlechten Leistung in einer anderen Zieldomäne. Für eine sicherheitskritische Anwendung ist dies nicht akzeptabel. Das Gebiet der sogenannten Domänenanpassung führt Methoden ein, die helfen, diese Domänenlücken ohne die Verwendung von Annotationen aus der Zieldomäne zu schließen und somit auf die Entwicklung skalierbarer Wahrnehmungssysteme hinzuarbeiten. Die Mehrzahl der Arbeiten zur Domänenanpassung konzentriert sich auf die zweidimensionale Kamerawahrnehmung. In autonomen Fahrzeugen ist jedoch das dreidimensionale Verständnis der Szene essentiell, wofür heutzutage häufig LiDAR-Sensoren verwendet werden. Diese Dissertation befasst sich mit der Domänenanpassung für LiDAR-Wahrnehmung unter mehreren Aspekten. Zunächst wird eine Reihe von Techniken vorgestellt, die die Leistung und die Laufzeit von semantischen Segmentierungssystemen verbessern. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in das Wahrnehmungsmodell integriert, das in dieser Dissertation verwendet wird, um die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Domänenanpassungsansätze zu bewerten. Zweitens werden bestehende Ansätze diskutiert und Forschungslücken durch die Formulierung von offenen Forschungsfragen aufgezeigt. Um einige dieser Fragen zu beantworten, wird in dieser Dissertation eine neuartige quantitative Metrik vorgestellt. Diese Metrik erlaubt es, den Realismus von LiDAR-Daten abzuschätzen, der für die Leistung eines Wahrnehmungssystems entscheidend ist. So wird die Metrik zur Bewertung der Qualität von LiDAR-Punktwolken verwendet, die zum Zweck des Domänenmappings erzeugt werden, bei dem Daten von einer Domäne in eine anderen übertragen werden. Dies ermöglicht die Wiederverwendung von Annotationen aus einer Quelldomäne in der Zieldomäne. In einem weiteren Feld der Domänenanpassung wird in dieser Dissertation eine neuartige Methode vorgeschlagen, die die Geometrie der Szene nutzt, um domäneninvariante Merkmale zu lernen. Die geometrischen Informationen helfen dabei, die Domänenanpassungsfähigkeiten des Segmentierungsmodells zu verbessern und ohne zusätzlichen Mehraufwand bei der Inferenz die beste Leistung zu erzielen. Schließlich wird eine neuartige Methode zur Erzeugung semantisch sinnvoller Objektformen aus kontinuierlichen Beschreibungen vorgeschlagen, die – mit zusätzlicher Arbeit – zur Erweiterung von Szenen verwendet werden kann, um die Erkennungsfähigkeiten der Modelle zu verbessern. Zusammenfassend stellt diese Dissertation ein umfassendes System für die Domänenanpassung und semantische Segmentierung von LiDAR-Punktwolken im Kontext des autonomen Fahrens vor

Pre-Trained Driving in Localized Surroundings with Semantic Radar Information and Machine Learning

Entlang der Signalverarbeitungskette von Radar Detektionen bis zur Fahrzeugansteuerung, diskutiert diese Arbeit eine semantischen Radar Segmentierung, einen darauf aufbauenden Radar SLAM, sowie eine im Verbund realisierte autonome Parkfunktion. Die Radarsegmentierung der (statischen) Umgebung wird durch ein Radar-spezifisches neuronales Netzwerk RadarNet erreicht. Diese Segmentierung ermöglicht die Entwicklung des semantischen Radar Graph-SLAM SERALOC. Auf der Grundlage der semantischen Radar SLAM Karte wird eine beispielhafte autonome Parkfunktionalität in einem realen Versuchsträger umgesetzt. Entlang eines aufgezeichneten Referenzfades parkt die Funktion ausschließlich auf Basis der Radar Wahrnehmung mit bisher unerreichter Positioniergenauigkeit. Im ersten Schritt wird ein Datensatz von 8.2 · 10^6 punktweise semantisch gelabelten Radarpunktwolken über eine Strecke von 2507.35m generiert. Es sind keine vergleichbaren Datensätze dieser Annotationsebene und Radarspezifikation öffentlich verfügbar. Das überwachte Training der semantischen Segmentierung RadarNet erreicht 28.97% mIoU auf sechs Klassen. Außerdem wird ein automatisiertes Radar-Labeling-Framework SeRaLF vorgestellt, welches das Radarlabeling multimodal mittels Referenzkameras und LiDAR unterstützt. Für die kohärente Kartierung wird ein Radarsignal-Vorfilter auf der Grundlage einer Aktivierungskarte entworfen, welcher Rauschen und andere dynamische Mehrwegreflektionen unterdrückt. Ein speziell für Radar angepasstes Graph-SLAM-Frontend mit Radar-Odometrie Kanten zwischen Teil-Karten und semantisch separater NDT Registrierung setzt die vorgefilterten semantischen Radarscans zu einer konsistenten metrischen Karte zusammen. Die Kartierungsgenauigkeit und die Datenassoziation werden somit erhöht und der erste semantische Radar Graph-SLAM für beliebige statische Umgebungen realisiert. Integriert in ein reales Testfahrzeug, wird das Zusammenspiel der live RadarNet Segmentierung und des semantischen Radar Graph-SLAM anhand einer rein Radar-basierten autonomen Parkfunktionalität evaluiert. Im Durchschnitt über 42 autonome Parkmanöver (∅3.73 km/h) bei durchschnittlicher Manöverlänge von ∅172.75m wird ein Median absoluter Posenfehler von 0.235m und End-Posenfehler von 0.2443m erreicht, der vergleichbare Radar-Lokalisierungsergebnisse um ≈ 50% übertrifft. Die Kartengenauigkeit von veränderlichen, neukartierten Orten über eine Kartierungsdistanz von ∅165m ergibt eine ≈ 56%-ige Kartenkonsistenz bei einer Abweichung von ∅0.163m. Für das autonome Parken wurde ein gegebener Trajektorienplaner und Regleransatz verwendet

Vision based system for detecting and counting mobility aids in surveillance videos

Automatic surveillance video analysis is popular among computer vision researchers due to its wide range of applications that require automated systems. Automated systems are to replace manual analysis of videos which is tiresome, expensive, and time-consuming. Image and video processing techniques are often used in the design of automatic detection and monitoring systems. Compared with normal indoor videos, outdoor surveillance videos are often difficult to process due to the uncontrolled environment, camera angle, and varying lighting and weather conditions. This research aims to contribute to the computer vision field by proposing an object detection and tracking algorithm that can handle multi-object and multi-class scenarios. The problem is solved by developing an application to count disabled pedestrians in surveillance videos by automatically detecting and tracking mobility aids and pedestrians. The application demonstrates that the proposed ideas achieve the desired outcomes. There are extensive studies on pedestrian detection and gait analysis in the computer vision field, but limited work is carried out on identifying disabled pedestrians or mobility aids. Detection of mobility aids in videos is challenging since the disabled person often occludes mobility aids and visibility of mobility aid depends on the direction of the walk with respect to the camera. For example, a walking stick is visible most times in front-on view while it is occluded when it happens to be on the walker's rear side. Furthermore, people use various mobility aids and their make and type changes with time as technology advances. The system should detect the majority of mobility aids to report reliable counting data. The literature review revealed that no system exists for detecting disabled pedestrians or mobility aids in surveillance videos. A lack of annotated image data containing mobility aids is also an obstacle to developing a machine-learning-based solution to detect mobility aids. In the first part of this thesis, we explored moving pedestrians' video data to extract the gait signals using manual and automated procedures. Manual extraction involved marking the pedestrians' head and leg locations and analysing those signals in the time domain. Analysis of stride length and velocity features indicate an abnormality if a walker is physically disabled. The automated system is built by combining the \acrshort{yolo} object detector, GMM based foreground modelling and star skeletonisation in a pipeline to extract the gait signal. The automated system failed to recognise a disabled person from its gait due to poor localisation by \acrshort{yolo}, incorrect segmentation and silhouette extraction due to moving backgrounds and shadows. The automated gait analysis approach failed due to various factors including environmental constraints, viewing angle, occlusions, shadows, imperfections in foreground modelling, object segmentation and silhouette extraction. In the later part of this thesis, we developed a CNN based approach to detect mobility aids and pedestrians. The task of identifying and counting disabled pedestrians in surveillance videos is divided into three sub-tasks: mobility aid and person detection, tracking and data association of detected objects, and counting healthy and disabled pedestrians. A modern object detector called YOLO, an improved data association algorithm (SORT), and a new pairing approach are applied to complete the three sub-tasks. Improvement of the SORT algorithm and introducing a pairing approach are notable contributions to the computer vision field. The SORT algorithm is strictly one class and without an object counting feature. SORT is enhanced to be multi-class and able to track accelerating or temporarily occluded objects. The pairing strategy associates a mobility aid with the nearest pedestrian and monitors them over time to see if the pair is reliable. A reliable pair represents a disabled pedestrian and counting reliable pairs calculates the number of disabled people in the video. The thesis also introduces an image database that was gathered as part of this study. The dataset comprises 5819 images belonging to eight different object classes, including five mobility aids, pedestrians, cars, and bicycles. The dataset was needed to train a CNN that can detect mobility aids in videos. The proposed mobility aid counting system is evaluated on a range of surveillance videos collected from outdoors with real-world scenarios. The results prove that the proposed solution offers a satisfactory performance in picking mobility aids from outdoor surveillance videos. The counting accuracy of 94% on test videos meets the design goals set by the advocacy group that need this application. Most test videos had objects from multiple classes in them. The system detected five mobility aids (wheelchair, crutch, walking stick, walking frame and mobility scooter), pedestrians and two distractors (car and bicycle). The training system on distractors' classes was to ensure the system can distinguish objects that are similar to mobility aids from mobility aids. In some cases, the convolutional neural network reports a mobility aid with an incorrect type. For example, the shape of crutch and stick are very much alike, and therefore, the system confuses one with the other. However, it does not affect the final counts as the aim was to get the overall counts of mobility aids (of any type) and determining the exact type of mobility aid is optional

Understanding Video Transformers for Segmentation: A Survey of Application and Interpretability

Video segmentation encompasses a wide range of categories of problem formulation, e.g., object, scene, actor-action and multimodal video segmentation, for delineating task-specific scene components with pixel-level masks. Recently, approaches in this research area shifted from concentrating on ConvNet-based to transformer-based models. In addition, various interpretability approaches have appeared for transformer models and video temporal dynamics, motivated by the growing interest in basic scientific understanding, model diagnostics and societal implications of real-world deployment. Previous surveys mainly focused on ConvNet models on a subset of video segmentation tasks or transformers for classification tasks. Moreover, component-wise discussion of transformer-based video segmentation models has not yet received due focus. In addition, previous reviews of interpretability methods focused on transformers for classification, while analysis of video temporal dynamics modelling capabilities of video models received less attention. In this survey, we address the above with a thorough discussion of various categories of video segmentation, a component-wise discussion of the state-of-the-art transformer-based models, and a review of related interpretability methods. We first present an introduction to the different video segmentation task categories, their objectives, specific challenges and benchmark datasets. Next, we provide a component-wise review of recent transformer-based models and document the state of the art on different video segmentation tasks. Subsequently, we discuss post-hoc and ante-hoc interpretability methods for transformer models and interpretability methods for understanding the role of the temporal dimension in video models. Finally, we conclude our discussion with future research directions