3D object reconstruction using computer vision : reconstruction and characterization applications for external human anatomical structures

Tese de doutoramento. Engenharia Informática. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201

Evaluating Semantic Knowledge Through a Semantic Association Task in Individuals With Dementia

Conceptual knowledge is supported by multiple semantic systems that are specialized for the analysis of different properties associated with object concepts. Various types of semantic association between concrete concepts—categorical (CA), encyclopedic (EA), functional (FA), and visual-encyclopedic (VEA) associations—were tested through a new picture-to-picture matching task (semantic association task, SAT). Forty individuals with Alzheimer's disease (AD), 13 with behavioral variant of frontotemporal dementia (bv-FTD), 6 with primary progressive aphasia (PPA), and 37 healthy participants were tested with the SAT. Within-group comparisons highlighted a global impairment of all types of semantic association in bv-FTD individuals but a disproportionate impairment of EA and FA, with relative sparing of CA and VEA, in AD individuals. Single-case analyses detected dissociations in all dementia groups. Conceptual knowledge can be selectively impaired in various types of neurodegenerative disease on the basis of the specific cognitive process that is disrupted

Hand pose recognition using a consumer depth camera

[no abstract

Higher-dimensional computational models of perceptual grouping and silhouette analysis and representation

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Brain and Cognitive Sciences, 2012.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Cataloged from student-submitted PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 100-105).In the following thesis, I describe the investigation of two problems related to the organization and structural analysis of visual information: perceptual grouping and silhouette analysis and representation. For the problem of perceptual grouping, an intuitive model framework was developed which operates on raw images and locates relevant groupings utilizing a higher dimensional space that contains not only the two spatial dimensions of the image but one or more dimension corresponding to relevant image features such as luminance, hue, or orientation. A psychophysical experiment was run to measure how human visual observers perform perceptual grouping across a variety of spatial scales and luminance differences. These results were compared with the predictions of our grouping model, and the model was able to capture much of the grouping behavior of the human subjects. A second experiment was run in which the perception of groups was disrupted by the presence of noise or shifts in brightness. Though the experiments showed only small effects resulting from these disruptions on the behavior of human subjects, the model was still able to successfully capture much of the image-to-image variability. For the question of silhouette representation and analysis, I suggest that human silhouette representation may be inextricably tied to 3D interpretation of 2D shapes. To support this, I propose a novel algorithm for 2D silhouette inflation called Puffball, which closely matches human intuition for a variety of simple shapes and can be run on almost any input. Using this algorithm, a new model of human part segmentation was derived using 2D-to-3D inflation; this model was evaluated against human-generated part segmentations and two competing part segmentation algorithms. Across a variety of different analyses, Puffball part segmentation performed as well or better than its competitors, suggesting a potential role for 2D-to-3D inflation in the segmentation of silhouette parts. Finally, I suggest several avenues of research which may further illuminate the role of inflation in the human representation and analysis of 2D and 3D shape.by Nathaniel R. Twarog.Ph.D

Capturing Hands in Action using Discriminative Salient Points and Physics Simulation

Hand motion capture is a popular research field, recently gaining more attention due to the ubiquity of RGB-D sensors. However, even most recent approaches focus on the case of a single isolated hand. In this work, we focus on hands that interact with other hands or objects and present a framework that successfully captures motion in such interaction scenarios for both rigid and articulated objects. Our framework combines a generative model with discriminatively trained salient points to achieve a low tracking error and with collision detection and physics simulation to achieve physically plausible estimates even in case of occlusions and missing visual data. Since all components are unified in a single objective function which is almost everywhere differentiable, it can be optimized with standard optimization techniques. Our approach works for monocular RGB-D sequences as well as setups with multiple synchronized RGB cameras. For a qualitative and quantitative evaluation, we captured 29 sequences with a large variety of interactions and up to 150 degrees of freedom.Comment: Accepted for publication by the International Journal of Computer Vision (IJCV) on 16.02.2016 (submitted on 17.10.14). A combination into a single framework of an ECCV'12 multicamera-RGB and a monocular-RGBD GCPR'14 hand tracking paper with several extensions, additional experiments and detail

Visual recognition of objects : behavioral, computational, and neurobiological aspects

I surveyed work on visual object recognition and perception. In animals, vision has been studied mainly on the behavioral and neurobiological levels. Behavioral data typically show what the visual system, by itself or together with the rest of the organism, is capable of. They show, for example, that humans can recognie objects regardless of size and position, but that rotated objects pose problems. Important insights into the organization of behavior have also been provided by people who suffered localized brain damage. We have learned that the brain is divided into areas subserving different and relatively well-defined behaviors. The visual system itself is also organized in different subsystems; the visual cortex alone contains nearly twenty maps of the visual field. And individual neurons respond selectively to visual stimuli, e.g., the orientation of line segments, color, direction of motion, and, most intriguingly, faces. The question is how the actions of all these neurons produce the behavior we observe. How do neurons represent the shape of objects such that they can be recognized? Before we can answer the question, we have to understand the computational aspect of shape representation, the nature of the problem as it were. Many methods for representing shape have been explored, mainly by computer scientists, but so far no satisfactory answers have been found

Learning a Family of Detectors

Object detection and recognition are important problems in computer vision. The challenges of these problems come from the presence of noise, background clutter, large within class variations of the object class and limited training data. In addition, the computational complexity in the recognition process is also a concern in practice. In this thesis, we propose one approach to handle the problem of detecting an object class that exhibits large within-class variations, and a second approach to speed up the classification processes. In the first approach, we show that foreground-background classification (detection) and within-class classification of the foreground class (pose estimation) can be jointly solved with using a multiplicative form of two kernel functions. One kernel measures similarity for foreground-background classification. The other kernel accounts for latent factors that control within-class variation and implicitly enables feature sharing among foreground training samples. For applications where explicit parameterization of the within-class states is unavailable, a nonparametric formulation of the kernel can be constructed with a proper foreground distance/similarity measure. Detector training is accomplished via standard Support Vector Machine learning. The resulting detectors are tuned to specific variations in the foreground class. They also serve to evaluate hypotheses of the foreground state. When the image masks for foreground objects are provided in training, the detectors can also produce object segmentation. Methods for generating a representative sample set of detectors are proposed that can enable efficient detection and tracking. In addition, because individual detectors verify hypotheses of foreground state, they can also be incorporated in a tracking-by-detection frame work to recover foreground state in image sequences. To run the detectors efficiently at the online stage, an input-sensitive speedup strategy is proposed to select the most relevant detectors quickly. The proposed approach is tested on data sets of human hands, vehicles and human faces. On all data sets, the proposed approach achieves improved detection accuracy over the best competing approaches. In the second part of the thesis, we formulate a filter-and-refine scheme to speed up recognition processes. The binary outputs of the weak classifiers in a boosted detector are used to identify a small number of candidate foreground state hypotheses quickly via Hamming distance or weighted Hamming distance. The approach is evaluated in three applications: face recognition on the face recognition grand challenge version 2 data set, hand shape detection and parameter estimation on a hand data set, and vehicle detection and estimation of the view angle on a multi-pose vehicle data set. On all data sets, our approach is at least five times faster than simply evaluating all foreground state hypotheses with virtually no loss in classification accuracy

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