Real-time 3D hand reconstruction in challenging scenes from a single color or depth camera

Hands are one of the main enabling factors for performing complex tasks and humans naturally use them for interactions with their environment. Reconstruction and digitization of 3D hand motion opens up many possibilities for important applications. Hands gestures can be directly used for human–computer interaction, which is especially relevant for controlling augmented or virtual reality (AR/VR) devices where immersion is of utmost importance. In addition, 3D hand motion capture is a precondition for automatic sign-language translation, activity recognition, or teaching robots. Different approaches for 3D hand motion capture have been actively researched in the past. While being accurate, gloves and markers are intrusive and uncomfortable to wear. Hence, markerless hand reconstruction based on cameras is desirable. Multi-camera setups provide rich input, however, they are hard to calibrate and lack the flexibility for mobile use cases. Thus, the majority of more recent methods uses a single color or depth camera which, however, makes the problem harder due to more ambiguities in the input. For interaction purposes, users need continuous control and immediate feedback. This means the algorithms have to run in real time and be robust in uncontrolled scenes. These requirements, achieving 3D hand reconstruction in real time from a single camera in general scenes, make the problem significantly more challenging. While recent research has shown promising results, current state-of-the-art methods still have strong limitations. Most approaches only track the motion of a single hand in isolation and do not take background-clutter or interactions with arbitrary objects or the other hand into account. The few methods that can handle more general and natural scenarios run far from real time or use complex multi-camera setups. Such requirements make existing methods unusable for many aforementioned applications. This thesis pushes the state of the art for real-time 3D hand tracking and reconstruction in general scenes from a single RGB or depth camera. The presented approaches explore novel combinations of generative hand models, which have been used successfully in the computer vision and graphics community for decades, and powerful cutting-edge machine learning techniques, which have recently emerged with the advent of deep learning. In particular, this thesis proposes a novel method for hand tracking in the presence of strong occlusions and clutter, the first method for full global 3D hand tracking from in-the-wild RGB video, and a method for simultaneous pose and dense shape reconstruction of two interacting hands that, for the first time, combines a set of desirable properties previously unseen in the literature.Hände sind einer der Hauptfaktoren für die Ausführung komplexer Aufgaben, und Menschen verwenden sie auf natürliche Weise für Interaktionen mit ihrer Umgebung. Die Rekonstruktion und Digitalisierung der 3D-Handbewegung eröffnet viele Möglichkeiten für wichtige Anwendungen. Handgesten können direkt als Eingabe für die Mensch-Computer-Interaktion verwendet werden. Dies ist insbesondere für Geräte der erweiterten oder virtuellen Realität (AR / VR) relevant, bei denen die Immersion von größter Bedeutung ist. Darüber hinaus ist die Rekonstruktion der 3D Handbewegung eine Voraussetzung zur automatischen Übersetzung von Gebärdensprache, zur Aktivitätserkennung oder zum Unterrichten von Robotern. In der Vergangenheit wurden verschiedene Ansätze zur 3D-Handbewegungsrekonstruktion aktiv erforscht. Handschuhe und physische Markierungen sind zwar präzise, aber aufdringlich und unangenehm zu tragen. Daher ist eine markierungslose Handrekonstruktion auf der Basis von Kameras wünschenswert. Multi-Kamera-Setups bieten umfangreiche Eingabedaten, sind jedoch schwer zu kalibrieren und haben keine Flexibilität für mobile Anwendungsfälle. Daher verwenden die meisten neueren Methoden eine einzelne Farb- oder Tiefenkamera, was die Aufgabe jedoch schwerer macht, da mehr Ambiguitäten in den Eingabedaten vorhanden sind. Für Interaktionszwecke benötigen Benutzer kontinuierliche Kontrolle und sofortiges Feedback. Dies bedeutet, dass die Algorithmen in Echtzeit ausgeführt werden müssen und robust in unkontrollierten Szenen sein müssen. Diese Anforderungen, 3D-Handrekonstruktion in Echtzeit mit einer einzigen Kamera in allgemeinen Szenen, machen das Problem erheblich schwieriger. Während neuere Forschungsarbeiten vielversprechende Ergebnisse gezeigt haben, weisen aktuelle Methoden immer noch Einschränkungen auf. Die meisten Ansätze verfolgen die Bewegung einer einzelnen Hand nur isoliert und berücksichtigen keine alltäglichen Umgebungen oder Interaktionen mit beliebigen Objekten oder der anderen Hand. Die wenigen Methoden, die allgemeinere und natürlichere Szenarien verarbeiten können, laufen nicht in Echtzeit oder verwenden komplexe Multi-Kamera-Setups. Solche Anforderungen machen bestehende Verfahren für viele der oben genannten Anwendungen unbrauchbar. Diese Dissertation erweitert den Stand der Technik für die Echtzeit-3D-Handverfolgung und -Rekonstruktion in allgemeinen Szenen mit einer einzelnen RGB- oder Tiefenkamera. Die vorgestellten Algorithmen erforschen neue Kombinationen aus generativen Handmodellen, die seit Jahrzehnten erfolgreich in den Bereichen Computer Vision und Grafik eingesetzt werden, und leistungsfähigen innovativen Techniken des maschinellen Lernens, die vor kurzem mit dem Aufkommen neuronaler Netzwerke entstanden sind. In dieser Arbeit werden insbesondere vorgeschlagen: eine neuartige Methode zur Handbewegungsrekonstruktion bei starken Verdeckungen und in unkontrollierten Szenen, die erste Methode zur Rekonstruktion der globalen 3D Handbewegung aus RGB-Videos in freier Wildbahn und die erste Methode zur gleichzeitigen Rekonstruktion von Handpose und -form zweier interagierender Hände, die eine Reihe wünschenwerter Eigenschaften komibiniert

A Joint 3D-2D based Method for Free Space Detection on Roads

In this paper, we address the problem of road segmentation and free space detection in the context of autonomous driving. Traditional methods either use 3-dimensional (3D) cues such as point clouds obtained from LIDAR, RADAR or stereo cameras or 2-dimensional (2D) cues such as lane markings, road boundaries and object detection. Typical 3D point clouds do not have enough resolution to detect fine differences in heights such as between road and pavement. Image based 2D cues fail when encountering uneven road textures such as due to shadows, potholes, lane markings or road restoration. We propose a novel free road space detection technique combining both 2D and 3D cues. In particular, we use CNN based road segmentation from 2D images and plane/box fitting on sparse depth data obtained from SLAM as priors to formulate an energy minimization using conditional random field (CRF), for road pixels classification. While the CNN learns the road texture and is unaffected by depth boundaries, the 3D information helps in overcoming texture based classification failures. Finally, we use the obtained road segmentation with the 3D depth data from monocular SLAM to detect the free space for the navigation purposes. Our experiments on KITTI odometry dataset, Camvid dataset, as well as videos captured by us, validate the superiority of the proposed approach over the state of the art.Comment: Accepted for publication at IEEE WACV 201

A Neural Model of How the Brain Computes Heading from Optic Flow in Realistic Scenes

Animals avoid obstacles and approach goals in novel cluttered environments using visual information, notably optic flow, to compute heading, or direction of travel, with respect to objects in the environment. We present a neural model of how heading is computed that describes interactions among neurons in several visual areas of the primate magnocellular pathway, from retina through V1, MT+, and MSTd. The model produces outputs which are qualitatively and quantitatively similar to human heading estimation data in response to complex natural scenes. The model estimates heading to within 1.5° in random dot or photo-realistically rendered scenes and within 3° in video streams from driving in real-world environments. Simulated rotations of less than 1 degree per second do not affect model performance, but faster simulated rotation rates deteriorate performance, as in humans. The model is part of a larger navigational system that identifies and tracks objects while navigating in cluttered environments.National Science Foundation (SBE-0354378, BCS-0235398); Office of Naval Research (N00014-01-1-0624); National-Geospatial Intelligence Agency (NMA201-01-1-2016

EgoCap:egocentric marker-less motion capture with two fisheye cameras

Marker-based and marker-less optical skeletal motion-capture methods use an outside-in arrangement of cameras placed around a scene, with viewpoints converging on the center. They often create discomfort by possibly needed marker suits, and their recording volume is severely restricted and often constrained to indoor scenes with controlled backgrounds. Alternative suit-based systems use several inertial measurement units or an exoskeleton to capture motion. This makes capturing independent of a confined volume, but requires substantial, often constraining, and hard to set up body instrumentation. We therefore propose a new method for real-time, marker-less and egocentric motion capture which estimates the full-body skeleton pose from a lightweight stereo pair of fisheye cameras that are attached to a helmet or virtual reality headset. It combines the strength of a new generative pose estimation framework for fisheye views with a ConvNet-based body-part detector trained on a large new dataset. Our inside-in method captures full-body motion in general indoor and outdoor scenes, and also crowded scenes with many people in close vicinity. The captured user can freely move around, which enables reconstruction of larger-scale activities and is particularly useful in virtual reality to freely roam and interact, while seeing the fully motion-captured virtual body.Comment: SIGGRAPH Asia 201

Towards accurate multi-person pose estimation in the wild

In this thesis we are concerned with the problem of articulated human pose estimation and pose tracking in images and video sequences. Human pose estimation is a task of localising major joints of a human skeleton in natural images and is one of the most important visual recognition tasks in the scenes containing humans with numerous applications in robotics, virtual and augmented reality, gaming and healthcare among others. Articulated human pose tracking requires tracking multiple persons in the video sequence while simultaneously estimating full body poses. This task is important for analysing surveillance footage, activity recognition, sports analytics, etc. Most of the prior work focused on the pose estimation of single pre-localised humans whereas here we address a case with multiple people in real world images which entails several challenges such as person-person overlaps in highly crowded scenes, unknown number of people or people entering and leaving video sequences. The first contribution is a multi-person pose estimation algorithm based on the bottom-up detection-by-grouping paradigm. Unlike the widespread top-down approaches our method detects body joints and pairwise relations between them in a single forward pass of a convolutional neural network. Multi-person parsing is performed by optimizing a joint objective based on a multicut graph partitioning framework. Secondly, we extend our pose estimation approach to articulated multi-person pose tracking in videos. Our approach performs multi-target tracking and pose estimation in a holistic manner by optimising a single objective. We further simplify and refine the formulation which allows us to reach close to the real-time performance. Thirdly, we propose a large scale dataset and a benchmark for articulated multi-person tracking. It is the first dataset of video sequences comprising complex multi-person scenes and fully annotated tracks with 2D keypoints. Our fourth contribution is a method for estimating 3D body pose using on-body wearable cameras. Our approach uses a pair of downward facing, head-mounted cameras and captures an entire body. This egocentric approach is free of limitations of traditional setups with external cameras and can estimate body poses in very crowded environments. Our final contribution goes beyond human pose estimation and is in the field of deep learning of 3D object shapes. In particular, we address the case of reconstructing 3D objects from weak supervision. Our approach represents objects as 3D point clouds and is able to learn them with 2D supervision only and without requiring camera pose information at training time. We design a differentiable renderer of point clouds as well as a novel loss formulation for dealing with camera pose ambiguity.In dieser Arbeit behandeln wir das Problem der Schätzung und Verfolgung artikulierter menschlicher Posen in Bildern und Video-Sequenzen. Die Schätzung menschlicher Posen besteht darin die Hauptgelenke des menschlichen Skeletts in natürlichen Bildern zu lokalisieren und ist eine der wichtigsten Aufgaben der visuellen Erkennung in Szenen, die Menschen beinhalten. Sie hat zahlreiche Anwendungen in der Robotik, virtueller und erweiterter Realität, in Videospielen, in der Medizin und weiteren Bereichen. Die Verfolgung artikulierter menschlicher Posen erfordert die Verfolgung mehrerer Personen in einer Videosequenz bei gleichzeitiger Schätzung vollständiger Körperhaltungen. Diese Aufgabe ist besonders wichtig für die Analyse von Video-Überwachungsaufnahmen, Aktivitätenerkennung, digitale Sportanalyse etc. Die meisten vorherigen Arbeiten sind auf die Schätzung einzelner Posen vorlokalisierter Menschen fokussiert, wohingegen wir den Fall mehrerer Personen in natürlichen Aufnahmen betrachten. Dies bringt einige Herausforderungen mit sich, wie die Überlappung verschiedener Personen in dicht gedrängten Szenen, eine unbekannte Anzahl an Personen oder Personen die das Sichtfeld der Video-Sequenz verlassen oder betreten. Der erste Beitrag ist ein Algorithmus zur Schätzung der Posen mehrerer Personen, welcher auf dem Paradigma der Erkennung durch Gruppierung aufbaut. Im Gegensatz zu den verbreiteten Verfeinerungs-Ansätzen erkennt unsere Methode Körpergelenke and paarweise Beziehungen zwischen ihnen in einer einzelnen Vorwärtsrechnung eines faltenden neuronalen Netzwerkes. Die Gliederung in mehrere Personen erfolgt durch Optimierung einer gemeinsamen Zielfunktion, die auf dem Mehrfachschnitt-Problem in der Graphenzerlegung basiert. Zweitens erweitern wir unseren Ansatz zur Posen-Bestimmung auf das Verfolgen mehrerer Personen und deren Artikulation in Videos. Unser Ansatz führt eine Verfolgung mehrerer Ziele und die Schätzung der zugehörigen Posen in ganzheitlicher Weise durch, indem eine einzelne Zielfunktion optimiert wird. Desweiteren vereinfachen und verfeinern wir die Formulierung, was unsere Methode nah an Echtzeit-Leistung bringt. Drittens schlagen wir einen großen Datensatz und einen Bewertungsmaßstab für die Verfolgung mehrerer artikulierter Personen vor. Dies ist der erste Datensatz der Video-Sequenzen von komplexen Szenen mit mehreren Personen beinhaltet und deren Spuren komplett mit zwei-dimensionalen Markierungen der Schlüsselpunkte versehen sind. Unser vierter Beitrag ist eine Methode zur Schätzung von drei-dimensionalen Körperhaltungen mittels am Körper tragbarer Kameras. Unser Ansatz verwendet ein Paar nach unten gerichteter, am Kopf befestigter Kameras und erfasst den gesamten Körper. Dieser egozentrische Ansatz ist frei von jeglichen Limitierungen traditioneller Konfigurationen mit externen Kameras und kann Körperhaltungen in sehr dicht gedrängten Umgebungen bestimmen. Unser letzter Beitrag geht über die Schätzung menschlicher Posen hinaus in den Bereich des tiefen Lernens der Gestalt von drei-dimensionalen Objekten. Insbesondere befassen wir uns mit dem Fall drei-dimensionale Objekte unter schwacher Überwachung zu rekonstruieren. Unser Ansatz repräsentiert Objekte als drei-dimensionale Punktwolken and ist im Stande diese nur mittels zwei-dimensionaler Überwachung und ohne Informationen über die Kamera-Ausrichtung zur Trainingszeit zu lernen. Wir entwerfen einen differenzierbaren Renderer für Punktwolken sowie eine neue Formulierung um mit uneindeutigen Kamera-Ausrichtungen umzugehen

A Neural Model of Visually Guided Steering, Obstacle Avoidance, and Route Selection

A neural model is developed to explain how humans can approach a goal object on foot while steering around obstacles to avoid collisions in a cluttered environment. The model uses optic flow from a 3D virtual reality environment to determine the position of objects based on motion discotinuities, and computes heading direction, or the direction of self-motion, from global optic flow. The cortical representation of heading interacts with the representations of a goal and obstacles such that the goal acts as an attractor of heading, while obstacles act as repellers. In addition the model maintains fixation on the goal object by generating smooth pursuit eye movements. Eye rotations can distort the optic flow field, complicating heading perception, and the model uses extraretinal signals to correct for this distortion and accurately represent heading. The model explains how motion processing mechanisms in cortical areas MT, MST, and VIP can be used to guide steering. The model quantitatively simulates human psychophysical data about visually-guided steering, obstacle avoidance, and route selection.Air Force Office of Scientific Research (F4960-01-1-0397); National Geospatial-Intelligence Agency (NMA201-01-1-2016); National Science Foundation (NSF SBE-0354378); Office of Naval Research (N00014-01-1-0624