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

Supervised Parameter Estimation of Neuron Populations from Multiple Firing Events

The firing dynamics of biological neurons in mathematical models is often determined by the model's parameters, representing the neurons' underlying properties. The parameter estimation problem seeks to recover those parameters of a single neuron or a neuron population from their responses to external stimuli and interactions between themselves. Most common methods for tackling this problem in the literature use some mechanistic models in conjunction with either a simulation-based or solution-based optimization scheme. In this paper, we study an automatic approach of learning the parameters of neuron populations from a training set consisting of pairs of spiking series and parameter labels via supervised learning. Unlike previous work, this automatic learning does not require additional simulations at inference time nor expert knowledge in deriving an analytical solution or in constructing some approximate models. We simulate many neuronal populations with different parameter settings using a stochastic neuron model. Using that data, we train a variety of supervised machine learning models, including convolutional and deep neural networks, random forest, and support vector regression. We then compare their performance against classical approaches including a genetic search, Bayesian sequential estimation, and a random walk approximate model. The supervised models almost always outperform the classical methods in parameter estimation and spike reconstruction errors, and computation expense. Convolutional neural network, in particular, is the best among all models across all metrics. The supervised models can also generalize to out-of-distribution data to a certain extent.Comment: 31 page

A Neural Signal Processor for Low-Latency Spike Inference

This thesis describes the development of a system that can assign identities to a population of single-units, in multi-electrode recordings, at single-spike resolution with low-latency. The system has two parts. The first is a Field-Programmable Gate Array (FPGA)-based Neural Signal Processor (NSP) that receives raw input and generates labelled spikes as output, a process referred to as real-time spike inference. The second is a piece of software (Spiketag) that runs on a PC, communicates with the NSP, and generates a spike-sorted model to guide the real-time spike inference. The NSP provides clocks and control signals to five 32-channel INTAN RHD2132 chips to manage the acquisition of 160 channels of raw neural data. In parallel, the NSP further filters, detects and extracts extracellular spike waveforms from the raw neural data recorded by tetrodes or silicon probes and assigns single-unit identity to each detected spike. A set of Python application programming interfaces (APIs) was developed in Spiketag to enable the communication between the NSP and the PC. These APIs allow the NSP to obtain a model from the PC, which holds parameters such as reference channels, spike detection thresholds, spike feature transformation matrix and vector quantized clusters generated by spike sorting a short recording session. Using the spike-sorted model, the NSP performs data acquisition and real-time spike inference simultaneously. Algorithmic modules were implemented in the FPGA and pipelined to compute during 40 ms acquisition intervals. At the output end of the FPGA NSP, the real-time assigned single-unit identity (spike-id) is packaged with the timestamp, the electrode group, and the spike features as a spike-id packet. Spike-id packets are asynchronously transmitted through a low-latency Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) interface to the PC, producing the real-time spike trains. The real-time spike trains can be used for further processing, such as real-time decoding. Several types of ground-truth data, including intracellular/extracellular paired recordings, synthesized tetrode extracellular waveforms with ground-truth spike timing and high-channel-count silicon probe recordings with ground-truth animal positions during navigation were used to validate the low-latency (1 ms) and high-accuracy (as high as state-of-the-art offline sorting and decoding algorithms) of the NSP’s real-time spike inference and the NSP-based real-time population decoding performance

A Voting Technique Of Multilayer Perceptron Ensemble For Classification Application

MLP is a model of artificial neural network, which is simple yet successfully applied in various applications. The instability of MLP performance where small changes in training parameter could produce different models that inhibiting attainment of high accuracy in classification applications. In this research, an integrated system of Multi-Layer Perceptron Ensemble (MLPE) consisting of an MLPE and a new voting algorithm has been developed to increase classification accuracy and reduce the number of reject class cases. MLPE is produced from singular MLPs that are diverse in term of training algorithm and their initial weights. Three training algorithms used are Levenberg-Marquardt (LM), Resilient Backpropagation (RP) and Bayesian Regularization (BR). In order to choose the final output of MLPE, a new voting algorithm named Trust-Sum Voting (TSV) is proposed. The effectiveness of MLPE with TSV (MLPE-TSV) has been tested on four classification case studies which are Electrical Capacitance Tomography (ECT), Landsat Satellite Image (LSI), German Credit (GC) and Pima Indian Diabetes (PID). The performance of MLPE-TSV has been compared with the performance of MLPE which employs existing voting algorithms which are Majority Voting (MLPE-MV) and Trust Voting (MLPE-TV). The obtained results have shown that the proposed MLPE-TSV is capable of increasing the accuracy of classification as compared to singular MLPs, MLPE-MV and MLPE-TV. MLPE-TSV has also managed to reduce the number of cases in reject class

Bio-inspired learning and hardware acceleration with emerging memories

Machine Learning has permeated many aspects of engineering, ranging from the Internet of Things (IoT) applications to big data analytics. While computing resources available to implement these algorithms have become more powerful, both in terms of the complexity of problems that can be solved and the overall computing speed, the huge energy costs involved remains a significant challenge. The human brain, which has evolved over millions of years, is widely accepted as the most efficient control and cognitive processing platform. Neuro-biological studies have established that information processing in the human brain relies on impulse like signals emitted by neurons called action potentials. Motivated by these facts, the Spiking Neural Networks (SNNs), which are a bio-plausible version of neural networks have been proposed as an alternative computing paradigm where the timing of spikes generated by artificial neurons is central to its learning and inference capabilities. This dissertation demonstrates the computational power of the SNNs using conventional CMOS and emerging nanoscale hardware platforms. The first half of this dissertation presents an SNN architecture which is trained using a supervised spike-based learning algorithm for the handwritten digit classification problem. This network achieves an accuracy of 98.17% on the MNIST test data-set, with about 4X fewer parameters compared to the state-of-the-art neural networks achieving over 99% accuracy. In addition, a scheme for parallelizing and speeding up the SNN simulation on a GPU platform is presented. The second half of this dissertation presents an optimal hardware design for accelerating SNN inference and training with SRAM (Static Random Access Memory) and nanoscale non-volatile memory (NVM) crossbar arrays. Three prominent NVM devices are studied for realizing hardware accelerators for SNNs: Phase Change Memory (PCM), Spin Transfer Torque RAM (STT-RAM) and Resistive RAM (RRAM). The analysis shows that a spike-based inference engine with crossbar arrays of STT-RAM bit-cells is 2X and 5X more efficient compared to PCM and RRAM memories, respectively. Furthermore, the STT-RAM design has nearly 6X higher throughput per unit Watt per unit area than that of an equivalent SRAM-based (Static Random Access Memory) design. A hardware accelerator with on-chip learning on an STT-RAM memory array is also designed, requiring $16$ bits of floating-point synaptic weight precision to reach the baseline SNN algorithmic performance on the MNIST dataset. The complete design with STT-RAM crossbar array achieves nearly 20X higher throughput per unit Watt per unit mm^2 than an equivalent design with SRAM memory. In summary, this work demonstrates the potential of spike-based neuromorphic computing algorithms and its efficient realization in hardware based on conventional CMOS as well as emerging technologies. The schemes presented here can be further extended to design spike-based systems that can be ubiquitously deployed for energy and memory constrained edge computing applications

Attention Mechanism for Recognition in Computer Vision

It has been proven that humans do not focus their attention on an entire scene at once when they perform a recognition task. Instead, they pay attention to the most important parts of the scene to extract the most discriminative information. Inspired by this observation, in this dissertation, the importance of attention mechanism in recognition tasks in computer vision is studied by designing novel attention-based models. In specific, four scenarios are investigated that represent the most important aspects of attention mechanism.First, an attention-based model is designed to reduce the visual features\u27 dimensionality by selectively processing only a small subset of the data. We study this aspect of the attention mechanism in a framework based on object recognition in distributed camera networks. Second, an attention-based image retrieval system (i.e., person re-identification) is proposed which learns to focus on the most discriminative regions of the person\u27s image and process those regions with higher computation power using a deep convolutional neural network. Furthermore, we show how visualizing the attention maps can make deep neural networks more interpretable. In other words, by visualizing the attention maps we can observe the regions of the input image where the neural network relies on, in order to make a decision. Third, a model for estimating the importance of the objects in a scene based on a given task is proposed. More specifically, the proposed model estimates the importance of the road users that a driver (or an autonomous vehicle) should pay attention to in a driving scenario in order to have safe navigation. In this scenario, the attention estimation is the final output of the model. Fourth, an attention-based module and a new loss function in a meta-learning based few-shot learning system is proposed in order to incorporate the context of the task into the feature representations of the samples and increasing the few-shot recognition accuracy.In this dissertation, we showed that attention can be multi-facet and studied the attention mechanism from the perspectives of feature selection, reducing the computational cost, interpretable deep learning models, task-driven importance estimation, and context incorporation. Through the study of four scenarios, we further advanced the field of where \u27\u27attention is all you need\u27\u27

Morphological Profiling for Drug Discovery in the Era of Deep Learning

Morphological profiling is a valuable tool in phenotypic drug discovery. The advent of high-throughput automated imaging has enabled the capturing of a wide range of morphological features of cells or organisms in response to perturbations at the single-cell resolution. Concurrently, significant advances in machine learning and deep learning, especially in computer vision, have led to substantial improvements in analyzing large-scale high-content images at high-throughput. These efforts have facilitated understanding of compound mechanism-of-action (MOA), drug repurposing, characterization of cell morphodynamics under perturbation, and ultimately contributing to the development of novel therapeutics. In this review, we provide a comprehensive overview of the recent advances in the field of morphological profiling. We summarize the image profiling analysis workflow, survey a broad spectrum of analysis strategies encompassing feature engineering- and deep learning-based approaches, and introduce publicly available benchmark datasets. We place a particular emphasis on the application of deep learning in this pipeline, covering cell segmentation, image representation learning, and multimodal learning. Additionally, we illuminate the application of morphological profiling in phenotypic drug discovery and highlight potential challenges and opportunities in this field.Comment: 44 pages, 5 figure, 5 table

Data compression techniques applied to high resolution high frame rate video technology

An investigation is presented of video data compression applied to microgravity space experiments using High Resolution High Frame Rate Video Technology (HHVT). An extensive survey of methods of video data compression, described in the open literature, was conducted. The survey examines compression methods employing digital computing. The results of the survey are presented. They include a description of each method and assessment of image degradation and video data parameters. An assessment is made of present and near term future technology for implementation of video data compression in high speed imaging system. Results of the assessment are discussed and summarized. The results of a study of a baseline HHVT video system, and approaches for implementation of video data compression, are presented. Case studies of three microgravity experiments are presented and specific compression techniques and implementations are recommended

Reading the Book of Memory: Sparse Sampling versus Dense Mapping of Connectomes

Many theories of neural networks assume rules of connection between pairs of neurons that are based on their cell types or functional properties. It is finally becoming feasible to test such pairwise models of connectivity, due to emerging advances in neuroanatomical techniques. One method will be to measure the functional properties of connected pairs of neurons, sparsely sampling pairs from many specimens. Another method will be to find a “connectome,” a dense map of all connections in a single specimen, and infer functional properties of neurons through computational analysis. For the latter method, the most exciting prospect would be to decode the memories that are hypothesized to be stored in connectomes