Going Deeper into Action Recognition: A Survey

Understanding human actions in visual data is tied to advances in complementary research areas including object recognition, human dynamics, domain adaptation and semantic segmentation. Over the last decade, human action analysis evolved from earlier schemes that are often limited to controlled environments to nowadays advanced solutions that can learn from millions of videos and apply to almost all daily activities. Given the broad range of applications from video surveillance to human-computer interaction, scientific milestones in action recognition are achieved more rapidly, eventually leading to the demise of what used to be good in a short time. This motivated us to provide a comprehensive review of the notable steps taken towards recognizing human actions. To this end, we start our discussion with the pioneering methods that use handcrafted representations, and then, navigate into the realm of deep learning based approaches. We aim to remain objective throughout this survey, touching upon encouraging improvements as well as inevitable fallbacks, in the hope of raising fresh questions and motivating new research directions for the reader

A Fusion Framework for Camouflaged Moving Foreground Detection in the Wavelet Domain

Detecting camouflaged moving foreground objects has been known to be difficult due to the similarity between the foreground objects and the background. Conventional methods cannot distinguish the foreground from background due to the small differences between them and thus suffer from under-detection of the camouflaged foreground objects. In this paper, we present a fusion framework to address this problem in the wavelet domain. We first show that the small differences in the image domain can be highlighted in certain wavelet bands. Then the likelihood of each wavelet coefficient being foreground is estimated by formulating foreground and background models for each wavelet band. The proposed framework effectively aggregates the likelihoods from different wavelet bands based on the characteristics of the wavelet transform. Experimental results demonstrated that the proposed method significantly outperformed existing methods in detecting camouflaged foreground objects. Specifically, the average F-measure for the proposed algorithm was 0.87, compared to 0.71 to 0.8 for the other state-of-the-art methods.Comment: 13 pages, accepted by IEEE TI

A framework for cardio-pulmonary resuscitation (CPR) scene retrieval from medical simulation videos based on object and activity detection.

In this thesis, we propose a framework to detect and retrieve CPR activity scenes from medical simulation videos. Medical simulation is a modern training method for medical students, where an emergency patient condition is simulated on human-like mannequins and the students act upon. These simulation sessions are recorded by the physician, for later debriefing. With the increasing number of simulation videos, automatic detection and retrieval of specific scenes became necessary. The proposed framework for CPR scene retrieval, would eliminate the conventional approach of using shot detection and frame segmentation techniques. Firstly, our work explores the application of Histogram of Oriented Gradients in three dimensions (HOG3D) to retrieve the scenes containing CPR activity. Secondly, we investigate the use of Local Binary Patterns in Three Orthogonal Planes (LBPTOP), which is the three dimensional extension of the popular Local Binary Patterns. This technique is a robust feature that can detect specific activities from scenes containing multiple actors and activities. Thirdly, we propose an improvement to the above mentioned methods by a combination of HOG3D and LBP-TOP. We use decision level fusion techniques to combine the features. We prove experimentally that the proposed techniques and their combination out-perform the existing system for CPR scene retrieval. Finally, we devise a method to detect and retrieve the scenes containing the breathing bag activity, from the medical simulation videos. The proposed framework is tested and validated using eight medical simulation videos and the results are presented

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

Novel image processing algorithms and methods for improving their robustness and operational performance

Image processing algorithms have developed rapidly in recent years. Imaging functions are becoming more common in electronic devices, demanding better image quality, and more robust image capture in challenging conditions. Increasingly more complicated algorithms are being developed in order to achieve better signal to noise characteristics, more accurate colours, and wider dynamic range, in order to approach the human visual system performance levels. [Continues.

SYSTEM-ON-A-CHIP (SOC)-BASED HARDWARE ACCELERATION FOR HUMAN ACTION RECOGNITION WITH CORE COMPONENTS

Today, the implementation of machine vision algorithms on embedded platforms or in portable systems is growing rapidly due to the demand for machine vision in daily human life. Among the applications of machine vision, human action and activity recognition has become an active research area, and market demand for providing integrated smart security systems is growing rapidly. Among the available approaches, embedded vision is in the top tier; however, current embedded platforms may not be able to fully exploit the potential performance of machine vision algorithms, especially in terms of low power consumption. Complex algorithms can impose immense computation and communication demands, especially action recognition algorithms, which require various stages of preprocessing, processing and machine learning blocks that need to operate concurrently. The market demands embedded platforms that operate with a power consumption of only a few watts. Attempts have been mad to improve the performance of traditional embedded approaches by adding more powerful processors; this solution may solve the computation problem but increases the power consumption. System-on-a-chip eld-programmable gate arrays (SoC-FPGAs) have emerged as a major architecture approach for improving power eciency while increasing computational performance. In a SoC-FPGA, an embedded processor and an FPGA serving as an accelerator are fabricated in the same die to simultaneously improve power consumption and performance. Still, current SoC-FPGA-based vision implementations either shy away from supporting complex and adaptive vision algorithms or operate at very limited resolutions due to the immense communication and computation demands. The aim of this research is to develop a SoC-based hardware acceleration workflow for the realization of advanced vision algorithms. Hardware acceleration can improve performance for highly complex mathematical calculations or repeated functions. The performance of a SoC system can thus be improved by using hardware acceleration method to accelerate the element that incurs the highest performance overhead. The outcome of this research could be used for the implementation of various vision algorithms, such as face recognition, object detection or object tracking, on embedded platforms. The contributions of SoC-based hardware acceleration for hardware-software codesign platforms include the following: (1) development of frameworks for complex human action recognition in both 2D and 3D; (2) realization of a framework with four main implemented IPs, namely, foreground and background subtraction (foreground probability), human detection, 2D/3D point-of-interest detection and feature extraction, and OS-ELM as a machine learning algorithm for action identication; (3) use of an FPGA-based hardware acceleration method to resolve system bottlenecks and improve system performance; and (4) measurement and analysis of system specications, such as the acceleration factor, power consumption, and resource utilization. Experimental results show that the proposed SoC-based hardware acceleration approach provides better performance in terms of the acceleration factor, resource utilization and power consumption among all recent works. In addition, a comparison of the accuracy of the framework that runs on the proposed embedded platform (SoCFPGA) with the accuracy of other PC-based frameworks shows that the proposed approach outperforms most other approaches

A no-reference optical flow-based quality evaluator for stereoscopic videos in curvelet domain

Most of the existing 3D video quality assessment (3D-VQA/SVQA) methods only consider spatial information by directly using an image quality evaluation method. In addition, a few take the motion information of adjacent frames into consideration. In practice, one may assume that a single data-view is unlikely to be sufficient for effectively learning the video quality. Therefore, integration of multi-view information is both valuable and necessary. In this paper, we propose an effective multi-view feature learning metric for blind stereoscopic video quality assessment (BSVQA), which jointly focuses on spatial information, temporal information and inter-frame spatio-temporal information. In our study, a set of local binary patterns (LBP) statistical features extracted from a computed frame curvelet representation are used as spatial and spatio-temporal description, and the local flow statistical features based on the estimation of optical flow are used to describe the temporal distortion. Subsequently, a support vector regression (SVR) is utilized to map the feature vectors of each single view to subjective quality scores. Finally, the scores of multiple views are pooled into the final score according to their contribution rate. Experimental results demonstrate that the proposed metric significantly outperforms the existing metrics and can achieve higher consistency with subjective quality assessment