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

Intelligent Data Analytics using Deep Learning for Data Science

Nowadays, data science stimulates the interest of academics and practitioners because it can assist in the extraction of significant insights from massive amounts of data. From the years 2018 through 2025, the Global Datasphere is expected to rise from 33 Zettabytes to 175 Zettabytes, according to the International Data Corporation. This dissertation proposes an intelligent data analytics framework that uses deep learning to tackle several difficulties when implementing a data science application. These difficulties include dealing with high inter-class similarity, the availability and quality of hand-labeled data, and designing a feasible approach for modeling significant correlations in features gathered from various data sources. The proposed intelligent data analytics framework employs a novel strategy for improving data representation learning by incorporating supplemental data from various sources and structures. First, the research presents a multi-source fusion approach that utilizes confident learning techniques to improve the data quality from many noisy sources. Meta-learning methods based on advanced techniques such as the mixture of experts and differential evolution combine the predictive capacity of individual learners with a gating mechanism, ensuring that only the most trustworthy features or predictions are integrated to train the model. Then, a Multi-Level Convolutional Fusion is presented to train a model on the correspondence between local-global deep feature interactions to identify easily confused samples of different classes. The convolutional fusion is further enhanced with the power of Graph Transformers, aggregating the relevant neighboring features in graph-based input data structures and achieving state-of-the-art performance on a large-scale building damage dataset. Finally, weakly-supervised strategies, noise regularization, and label propagation are proposed to train a model on sparse input labeled data, ensuring the model\u27s robustness to errors and supporting the automatic expansion of the training set. The suggested approaches outperformed competing strategies in effectively training a model on a large-scale dataset of 500k photos, with just about 7% of the images annotated by a human. The proposed framework\u27s capabilities have benefited various data science applications, including fluid dynamics, geometric morphometrics, building damage classification from satellite pictures, disaster scene description, and storm-surge visualization

Deep Learning for 2D and 3D Scene Understanding

This thesis comprises a body of work that investigates the use of deep learning for 2D and 3D scene understanding. Although there has been significant progress made in computer vision using deep learning, a lot of that progress has been relative to performance benchmarks, and for static images; it is common to find that good performance on one benchmark does not necessarily mean good generalization to the kind of viewing conditions that might be encountered by an autonomous robot or agent. In this thesis, we address a variety of problems motivated by the desire to see deep learning algorithms generalize better to robotic vision scenarios. Specifically, we span topics of multi-object detection, unsupervised domain adaptation for semantic segmentation, video object segmentation, and semantic scene completion. First, most modern object detectors use a final post-processing step known as Non-maximum suppression (GreedyNMS). This suffers an inevitable trade-off between precision and recall in crowded scenes. To overcome this limitation, we propose a Pairwise-NMS to cure GreedyNMS. Specifically, a pairwise-relationship network that is based on deep learning is learned to predict if two overlapping proposal boxes contain two objects or zero/one object, which can handle multiple overlapping objects effectively. A common issue in training deep neural networks is the need for large training sets. One approach to this is to use simulated image and video data, but this suffers from a domain gap wherein the performance on real-world data is poor relative to performance on the simulation data. We target a few approaches to addressing so-called domain adaptation for semantic segmentation: (1) Single and multi-exemplars are employed for each class in order to cluster the per-pixel features in the embedding space; (2) Class-balanced self-training strategy is utilized for generating pseudo labels in the target domain; (3) Moreover, a convolutional adaptor is adopted to enforce the features in the source domain and target domain are closed with each other. Next, we tackle the video object segmentation by formulating it as a meta-learning problem, where the base learner aims to learn semantic scene understanding for general objects, and the meta learner quickly adapts the appearance of the target object with a few examples. Our proposed meta-learning method uses a closed-form optimizer, the so-called \ridge regression", which is conducive to fast and better training convergence. One-shot video object segmentation (OSVOS) has the limitation to \overemphasize" the generic semantic object information while \diluting" the instance cues of the object(s), which largely block the whole training process. Through adding a common module, video loss, which we formulate with various forms of constraints (including weighted BCE loss, high-dimensional triplet loss, as well as a novel mixed instance-aware video loss), to train the parent network, the network is then better prepared for the online fine-tuning. Next, we introduce a light-weight Dimensional Decomposition Residual network (DDR) for 3D dense prediction tasks. The novel factorized convolution layer is effective for reducing the network parameters, and the proposed multi-scale fusion mechanism for depth and color image can improve the completion and segmentation accuracy simultaneously. Moreover, we propose PALNet, a novel hybrid network for Semantic Scene Completion(SSC) based on single depth. PALNet utilizes a two-stream network to extract both 2D and 3D features from multi-stages using fine-grained depth information to eficiently capture the context, as well as the geometric cues of the scene. Position Aware Loss (PA-Loss) considers Local Geometric Anisotropy to determine the importance of different positions within the scene. It is beneficial for recovering key details like the boundaries of objects and the corners of the scene. Finally, we propose a 3D gated recurrent fusion network (GRFNet), which learns to adaptively select and fuse the relevant information from depth and RGB by making use of the gate and memory modules. Based on the single-stage fusion, we further propose a multi-stage fusion strategy, which could model the correlations among different stages within the network.Thesis (Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Computer Science, 202

Supplemental Boosting and Cascaded ConvNet Based Transfer Learning Structure for Fast Traffic Sign Detection in Unknown Application Scenes

With rapid calculation speed and relatively high accuracy, the AdaBoost-based detection framework has been successfully applied in some real applications of machine vision-based intelligent systems. The main shortcoming of the AdaBoost-based detection framework is that the off-line trained detector cannot be transfer retrained to adapt to unknown application scenes. In this paper, a new transfer learning structure based on two novel methods of supplemental boosting and cascaded ConvNet is proposed to address this shortcoming. The supplemental boosting method is proposed to supplementally retrain an AdaBoost-based detector for the purpose of transferring a detector to adapt to unknown application scenes. The cascaded ConvNet is designed and attached to the end of the AdaBoost-based detector for improving the detection rate and collecting supplemental training samples. With the added supplemental training samples provided by the cascaded ConvNet, the AdaBoost-based detector can be retrained with the supplemental boosting method. The detector combined with the retrained boosted detector and cascaded ConvNet detector can achieve high accuracy and a short detection time. As a representative object detection problem in intelligent transportation systems, the traffic sign detection problem is chosen to show our method. Through experiments with the public datasets from different countries, we show that the proposed framework can quickly detect objects in unknown application scenes

Shortest Route at Dynamic Location with Node Combination-Dijkstra Algorithm

Abstract— Online transportation has become a basic requirement of the general public in support of all activities to go to work, school or vacation to the sights. Public transportation services compete to provide the best service so that consumers feel comfortable using the services offered, so that all activities are noticed, one of them is the search for the shortest route in picking the buyer or delivering to the destination. Node Combination method can minimize memory usage and this methode is more optimal when compared to A* and Ant Colony in the shortest route search like Dijkstra algorithm, but can’t store the history node that has been passed. Therefore, using node combination algorithm is very good in searching the shortest distance is not the shortest route. This paper is structured to modify the node combination algorithm to solve the problem of finding the shortest route at the dynamic location obtained from the transport fleet by displaying the nodes that have the shortest distance and will be implemented in the geographic information system in the form of map to facilitate the use of the system. Keywords— Shortest Path, Algorithm Dijkstra, Node Combination, Dynamic Location (key words