Multiple cue integration for robust tracking in dynamic environments: application to video relighting

L'anàlisi de moviment i seguiment d'objectes ha estat un dels pricipals focus d'atenció en la comunitat de visió per computador durant les dues darreres dècades. L'interès per aquesta àrea de recerca resideix en el seu ample ventall d'aplicabilitat, que s'extén des de tasques de navegació de vehicles autònoms i robots, fins a aplications en la indústria de l'entreteniment i realitat virtual.Tot i que s'han aconseguit resultats espectaculars en problemes específics, el seguiment d'objectes continua essent un problema obert, ja que els mètodes disponibles són propensos a ser sensibles a diversos factors i condicions no estacionàries de l'entorn, com ara moviments impredictibles de l'objecte a seguir, canvis suaus o abruptes de la il·luminació, proximitat d'objectes similars o fons confusos. Enfront aquests factors de confusió la integració de múltiples característiques ha demostrat que permet millorar la robustesa dels algoritmes de seguiment. En els darrers anys, degut a la creixent capacitat de càlcul dels ordinadors, hi ha hagut un significatiu increment en el disseny de complexes sistemes de seguiment que consideren simultàniament múltiples característiques de l'objecte. No obstant, la majoria d'aquests algoritmes estan basats enheurístiques i regles ad-hoc formulades per aplications específiques, fent-ne impossible l'extrapolació a noves condicions de l'entorn.En aquesta tesi proposem un marc probabilístic general per integrar el nombre de característiques de l'objecte que siguin necessàries, permetent que interactuin mútuament per tal d'estimar-ne el seu estat amb precisió, i per tant, estimar amb precisió la posició de l'objecte que s'està seguint. Aquest marc, s'utilitza posteriorment per dissenyar un algoritme de seguiment, que es valida en diverses seqüències de vídeo que contenen canvis abruptes de posició i il·luminació, camuflament de l'objecte i deformacions no rígides. Entre les característiques que s'han utilitzat per representar l'objecte, cal destacar la paramatrització robusta del color en un espai de color dependent de l'objecte, que permet distingir-lo del fons més clarament que altres espais de color típicament ulitzats al llarg de la literatura.En la darrera part de la tesi dissenyem una tècnica per re-il·luminar tant escenes estàtiques com en moviment, de les que s'en desconeix la geometria. La re-il·luminació es realitza amb un mètode 'basat en imatges', on la generació de les images de l'escena sota noves condicions d'il·luminació s'aconsegueix a partir de combinacions lineals d'un conjunt d'imatges de referència pre-capturades, i que han estat generades il·luminant l'escena amb patrons de llum coneguts. Com que la posició i intensitat de les fonts d'il.luminació que formen aquests patrons de llum es pot controlar, és natural preguntar-nos: quina és la manera més òptima d'il·luminar una escena per tal de reduir el nombre d'imatges de referència? Demostrem que la millor manera d'il·luminar l'escena (és a dir, la que minimitza el nombre d'imatges de referència) no és utilitzant una seqüència de fonts d'il·luminació puntuals, com es fa generalment, sinó a través d'una seqüència de patrons de llum d'una base d'il·luminació depenent de l'objecte. És important destacar que quan es re-il·luminen seqüències de vídeo, les imatges successives s'han d'alinear respecte a un sistema de coordenades comú. Com que cada imatge ha estat generada per un patró de llum diferent il·uminant l'escena, es produiran canvis d'il·luminació bruscos entre imatges de referència consecutives. Sota aquestes circumstàncies, el mètode de seguiment proposat en aquesta tesi juga un paper fonamental. Finalment, presentem diversos resultats on re-il·luminem seqüències de vídeo reals d'objectes i cares d'actors en moviment. En cada cas, tot i que s'adquireix un únic vídeo, som capaços de re-il·luminar una i altra vegada, controlant la direcció de la llum, la seva intensitat, i el color.Motion analysis and object tracking has been one of the principal focus of attention over the past two decades within the computer vision community. The interest of this research area lies in its wide range of applicability, extending from autonomous vehicle and robot navigation tasks, to entertainment and virtual reality applications.Even though impressive results have been obtained in specific problems, object tracking is still an open problem, since available methods are prone to be sensitive to several artifacts and non-stationary environment conditions, such as unpredictable target movements, gradual or abrupt changes of illumination, proximity of similar objects or cluttered backgrounds. Multiple cue integration has been proved to enhance the robustness of the tracking algorithms in front of such disturbances. In recent years, due to the increasing power of the computers, there has been a significant interest in building complex tracking systems which simultaneously consider multiple cues. However, most of these algorithms are based on heuristics and ad-hoc rules formulated for specific applications, making impossible to extrapolate them to new environment conditions.In this dissertation we propose a general probabilistic framework to integrate as many object features as necessary, permitting them to mutually interact in order to obtain a precise estimation of its state, and thus, a precise estimate of the target position. This framework is utilized to design a tracking algorithm, which is validated on several video sequences involving abrupt position and illumination changes, target camouflaging and non-rigid deformations. Among the utilized features to represent the target, it is important to point out the use of a robust parameterization of the target color in an object dependent colorspace which allows to distinguish the object from the background more clearly than other colorspaces commonly used in the literature.In the last part of the dissertation, we design an approach for relighting static and moving scenes with unknown geometry. The relighting is performed through an -image-based' methodology, where the rendering under new lighting conditions is achieved by linear combinations of a set of pre-acquired reference images of the scene illuminated by known light patterns. Since the placement and brightness of the light sources composing such light patterns can be controlled, it is natural to ask: what is the optimal way to illuminate the scene to reduce the number of reference images that are needed? We show that the best way to light the scene (i.e., the way that minimizes the number of reference images) is not using a sequence of single, compact light sources as is most commonly done, but rather to use a sequence of lighting patterns as given by an object-dependent lighting basis. It is important to note that when relighting video sequences, consecutive images need to be aligned with respect to a common coordinate frame. However, since each frame is generated by a different light pattern illuminating the scene, abrupt illumination changes between consecutive reference images are produced. Under these circumstances, the tracking framework designed in this dissertation plays a central role. Finally, we present several relighting results on real video sequences of moving objects, moving faces, and scenes containing both. In each case, although a single video clip was captured, we are able to relight again and again, controlling the lighting direction, extent, and color.Postprint (published version

Improved facial feature fitting for model based coding and animation

EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Automated Visual Database Creation For A Ground Vehicle Simulator

This research focuses on extracting road models from stereo video sequences taken from a moving vehicle. The proposed method combines color histogram based segmentation, active contours (snakes) and morphological processing to extract road boundary coordinates for conversion into Matlab or Multigen OpenFlight compatible polygonal representations. Color segmentation uses an initial truth frame to develop a color probability density function (PDF) of the road versus the terrain. Subsequent frames are segmented using a Maximum Apostiori Probability (MAP) criteria and the resulting templates are used to update the PDFs. Color segmentation worked well where there was minimal shadowing and occlusion by other cars. A snake algorithm was used to find the road edges which were converted to 3D coordinates using stereo disparity and vehicle position information. The resulting 3D road models were accurate to within 1 meter

(SI10-124) Inverse Reconstruction Methodologies: A Review

The three-dimensional reconstruction problem is a longstanding ill-posed problem, which has made enormous progress in the field of computer vision. This field has attracted increasing interest and demonstrated an impressive performance. Due to a long era of increasing evolution, this paper presents an extensive review of the developments made in this field. For the three dimensional visualization, researchers have focused on the developments of three dimensional information and acquisition methodologies from two dimensional scenes or objects. These acquisition methodologies require a complex calibration procedure which is not practical in general. Hence, the requirement of flexibility was much needed in all these methods. Due to this emerging factors, many techniques were presented. The methodologies are organized on the basis of different aspects of the three dimensional reconstruction like active method, passive method, different geometrical shapes, etc. A brief analysis and comparison of the performance of these methodologies are also presented

Dependent multiple cue integration for robust tracking

We propose a new technique for fusing multiple cues to robustly segment an object from its background in video sequences that suffer from abrupt changes of both illumination and position of the target. Robustness is achieved by the integration of appearance and geometric object features and by their estimation using Bayesian filters, such as Kalman or particle filters. In particular, each filter estimates the state of a specific object feature, conditionally dependent on another feature estimated by a distinct filter. This dependence provides improved target representations, permitting us to segment it out from the background even in nonstationary sequences. Considering that the procedure of the Bayesian filters may be described by a "hypotheses generation-hypotheses correction" strategy, the major novelty of our methodology compared to previous approaches is that the mutual dependence between filters is considered during the feature observation, that is, into the "hypotheses-correction" stage, instead of considering it when generating the hypotheses. This proves to be much more effective in terms of accuracy and reliability. The proposed method is analytically justified and applied to develop a robust tracking system that adapts online and simultaneously the color space where the image points are represented, the color distributions, the contour of the object, and its bounding box. Results with synthetic data and real video sequences demonstrate the robustness and versatility of our method.Peer Reviewe

Deformable 3-D Modelling from Uncalibrated Video Sequences

Submitted for the degree of Doctor of Philosophy, Queen Mary, University of Londo

Comparison between gaze and moving objects in videos for smooth pursuit eye movement evaluation

When viewing moving objects in videos the movement of the eyes is called smooth pursuit. For evaluating the relationship of eye tracking data to the moving objects, the objects in the videos need to be detected and tracked. In the first part of this thesis, a method for detecting and tracking of moving objects in videos is developed. The method mainly consists of a modified version of the Gaussian mixture model, The Tracking feature point method, a modified version of the Mean shift algorithm, Matlabs function bwlabel and a set of new developed methods. The performance of the method is highest when the background is static and the objects differ in colour from the background. The false detection rate increases, when the video environment becomes more dynamic and complex. In the second part of this thesis the distance between the point of gaze and the moving objects centre point is calculated. The eyes may not always follow the centre position of an object, but rather some other part of the object. Therefore, the method gives more satisfactory result when the objects are small.Utvärdering av smooth pursuit-rörelser. En jämförelse mellan ögonrörelser och rörliga objekt i videosekvenser Populärvetenskaplig sammanfattning av examensarbetet: Andrea Åkerström Ett forskningsområde som har vuxit mycket de senaste åren är ”eye tracking”: en teknik för att undersöka ögonrörelser. Tekniken har visat sig intressant för studier inom exempelvis visuella system, i psykologi och i interaktioner mellan datorer och människor. Ett eye tracking system mäter ögonens rörelser så att de punkterna ögat tittar på kan bli estimerade. Tidigare har de flesta studier inom eye tracking baserats på bilder, men på senare tid har även intresset för att studera filmsekvenser vuxit. Den typ av rörelse som ögat utför när det följer ett rörligt objekt kallas för smooth pursuitrörelse. En av svårigheterna med att utvärdera relationen mellan eye tracking-data och rörliga objekten i filmer är att objekten, antingen manuellt mäts ut eller att ett intelligent system utvecklas för en automatisk utvärdering. Det som gör processen att detektera och följa rörliga objekt i filmer komplex är att olika videosekvenser kan ha många olika typer av svåra videoscenarion som metoden måste klara av. Till exempel kan bakgrunden i en video vara dynamisk, det kan finnas störningar som regn eller snö, eller kan problemet vara att kameran skakar eller rör sig. Syftet med detta arbete består av två delar. Den först delen, som också har varit den största, har varit att utveckla en metod som kan detektera och följa rörliga objekt i olika typer av videosekvenser, baserad på metoder från tidigare forskning. Den andra delen har varit att försöka utveckla en automatisk utvärdering av ögonrörelsen smooth persuit, genom att använda de detekterade och följda objekten i videosekvenserna tillsammans med redan existerande ögondata. För att utveckla den metod har olika metoder från tidigare forskning kombinerat. Alla metoder som har utvecklas i detta område har olika för och nackdelar och fungerade bättre eller sämre för olika typer av videoscenarion. Målet för metoden i detta arbete har varit att hitta en kombination av olika metoder som, genom att kompensera varandras för- och nackdelar, kan ge en så bra detektering som möjligt för olika typer av filmsekvenser. Min metod är till största del uppbyggd av tre metoder: En modifierad version av Guasssian Mixture Model, Tracking Feature Point och en modifierad version av Mean Shift Algorithmen. Guassian Mixture Model-metoden används för att detekterar pixlar i filmen som tillhör objekt som är i rörelse. Metoden tar fram dynamiska modeller av bakgrunden i filmen och detekterar pixlar som skiljer sig från backgrundsmodellerna. Detta är en väl använd metod som kan hantera komplexa bakgrunder med periodiskt brus, men den ger samtidigt ofta upphov till felaktiga detektioner och den kan inte hantera kamerarörelser. För att hantera kamerarörelser används Tracking Feature Point-metoden och på så sätt kompenseras denna brist hos Guassian Mixture Modell-metoden. Tracking Feature Point tar fram ”feature points” ut videobilder och med hjälp av dem kan metoden estimera kameraförflyttningar. Denna metod räknar dock endast ut de förflyttningar som kameran gör, men den tar inte hänsyn till om kameran roterar. Mean Shift Algoritm är en metod som används för att räkna ut det rörliga objektets nya position i en efterföljande bild. För mitt arbete har endast delar av denna metod används till att bestämma vilka detektioner av objekt i de olika bilderna som representerar samma objekt. Genom att ta fram modeller för objekten i varje bild, vilka sedan jämförs, kan metoden bestämma vilka objekt som kan klassas som samma objekt. Den metod som har utvecklat i detta arbete gav bäst resultat när bakgrunden var statisk och objektets färg skiljde sig från bakgrunden. När bakgrunden blir mer dynamisk och komplex ökade mängden falska detektioner och för vissa videosekvenser misslyckas metoden att detektera hela objekten. Den andra delen av detta arbetes syfte var att använda resultatet från metoden för att utvärdera eye tracking-data. Den automatiska utvärderingen av ögonrörelsen smooth pursuit ger ett mått på hur bra ögat kan följa objekt som rör sig. För att utföra detta mäts avståndet mellan den punkt som ögat tittar på och det detekterade objektets centrum. Den automatiskt utvärderingen av smooth pursuit-rörelsen gav bäst resultat när objekten var små. För större objekt följer ögat inte nödvändigtvis objektets mittenpunkt utan istället någon annan del av objektet och metoden kan därför i dessa fall ge ett missvisande resultat. Detta arbete har inte resulterat i en färdig metod utan det finns många områden för förbättringar. Exempelvis skulle en estimering av kamerans rotationer förbättra resultaten. Utvärderingen av hur väl ögat följer rörliga objekt kan även utvecklas mer, genom att konturerna av objekten beräknades. På detta sätt skulle även avståndet mellan punkterna ögat tittar på och objektets area kunnat bestämmas. Både eye tracking och att detektera och följa rörliga objekt i filmer är idag aktiva forskningsområden och det finns alltså fortfarande mycket att utveckla i dessa områden. Syfte med detta arbete har varit att försöka utveckla en mer generell metod som kan fungera för olika typer av filmsekvenser