From Image-based Motion Analysis to Free-Viewpoint Video

The problems of capturing real-world scenes with cameras and automatically analyzing the visible motion have traditionally been in the focus of computer vision research. The photo-realistic rendition of dynamic real-world scenes, on the other hand, is a problem that has been investigated in the field of computer graphics. In this thesis, we demonstrate that the joint solution to all three of these problems enables the creation of powerful new tools that are benecial for both research disciplines. Analysis and rendition of real-world scenes with human actors are amongst the most challenging problems. In this thesis we present new algorithmic recipes to attack them. The dissertation consists of three parts: In part I, we present novel solutions to two fundamental problems of human motion analysis. Firstly, we demonstrate a novel hybrid approach for markerfree human motion capture from multiple video streams. Thereafter, a new algorithm for automatic non-intrusive estimation of kinematic body models of arbitrary moving subjects from video is detailed. In part II of the thesis, we demonstrate that a marker-free motion capture approach makes possible the model-based reconstruction of free-viewpoint videos of human actors from only a handful of video streams. The estimated 3D videos enable the photo-realistic real-time rendition of a dynamic scene from arbitrary novel viewpoints. Texture information from video is not only applied to generate a realistic surface appearance, but also to improve the precision of the motion estimation scheme. The commitment to a generic body model also allows us to reconstruct a time-varying reflectance description of an actor`s body surface which allows us to realistically render the free-viewpoint videos under arbitrary lighting conditions. A novel method to capture high-speed large scale motion using regular still cameras and the principle of multi-exposure photography is described in part III. The fundamental principles underlying the methods in this thesis are not only applicable to humans but to a much larger class of subjects. It is demonstrated that, in conjunction, our proposed algorithmic recipes serve as building blocks for the next generation of immersive 3D visual media.Die Entwicklung neuer Algorithmen zur optischen Erfassung und Analyse der Bewegung in dynamischen Szenen ist einer der Forschungsschwerpunkte in der computergestützten Bildverarbeitung. Während im maschinellen Bildverstehen das Augenmerk auf der Extraktion von Informationen liegt, konzentriert sich die Computergrafik auf das inverse Problem, die fotorealistische Darstellung bewegter Szenen. In jüngster Vergangenheit haben sich die beiden Disziplinen kontinuierlich angenähert, da es eine Vielzahl an herausfordernden wissenschaftlichen Fragestellungen gibt, die eine gemeinsame Lösung des Bilderfassungs-, des Bildanalyse- und des Bildsyntheseproblems verlangen. Zwei der schwierigsten Probleme, welche für Forscher aus beiden Disziplinen eine große Relevanz besitzen, sind die Analyse und die Synthese von dynamischen Szenen, in denen Menschen im Mittelpunkt stehen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren vorgestellt, welche die optische Erfassung dieser Art von Szenen, die automatische Analyse der Bewegungen und die realistische neue Darstellung im Computer erlauben. Es wid deutlich werden, dass eine Integration von Algorithmen zur Lösung dieser drei Probleme in ein Gesamtsystem die Erzeugung völlig neuartiger dreidimensionaler Darstellungen von Menschen in Bewegung ermöglicht. Die Dissertation ist in drei Teile gegliedert: Teil I beginnt mit der Beschreibung des Entwurfs und des Baus eines Studios zur zeitsynchronen Erfassung mehrerer Videobildströme. Die im Studio aufgezeichneten Multivideosequenzen dienen als Eingabedaten für die im Rahmen dieser Dissertation entwickelten videogestützten Bewegunsanalyseverfahren und die Algorithmen zur Erzeugung dreidimensionaler Videos. Im Anschluß daran werden zwei neu entwickelte Verfahren vorgestellt, die Antworten auf zwei fundamentale Fragen in der optischen Erfassung menschlicher Bewegung geben, die Messung von Bewegungsparametern und die Erzeugung von kinematischen Skelettmodellen. Das erste Verfahren ist ein hybrider Algorithmus zur markierungslosen optischen Messung von Bewegunsgparametern aus Multivideodaten. Der Verzicht auf optische Markierungen wird dadurch ermöglicht, dass zur Bewegungsanalyse sowohl aus den Bilddaten rekonstruierte Volumenmodelle als auch leicht zu erfassende Körpermerkmale verwendet werden. Das zweite Verfahren dient der automatischen Rekonstruktion eines kinematischen Skelettmodells anhand von Multivideodaten. Der Algorithmus benötigt weder optischen Markierungen in der Szene noch a priori Informationen über die Körperstruktur, und ist in gleicher Form auf Menschen, Tiere und Objekte anwendbar. Das Thema das zweiten Teils dieser Arbeit ist ein modellbasiertes Verfahrenzur Rekonstruktion dreidimensionaler Videos von Menschen in Bewegung aus nur wenigen zeitsynchronen Videoströmen. Der Betrachter kann die errechneten 3D Videos auf einem Computer in Echtzeit abspielen und dabei interaktiv einen beliebigen virtuellen Blickpunkt auf die Geschehnisse einnehmen. Im Zentrum unseres Ansatzes steht ein silhouettenbasierter Analyse-durch-Synthese Algorithmus, der es ermöglicht, ohne optische Markierungen sowohl die Form als auch die Bewegung eines Menschen zu erfassen. Durch die Berechnung zeitveränderlicher Oberächentexturen aus den Videodaten ist gewährleistet, dass eine Person aus jedem beliebigen Blickwinkel ein fotorealistisches Erscheinungsbild besitzt. In einer ersten algorithmischen Erweiterung wird gezeigt, dass die Texturinformation auch zur Verbesserung der Genauigkeit der Bewegunsgssch ätzung eingesetzt werden kann. Zudem ist es durch die Verwendung eines generischen Körpermodells möglich, nicht nur dynamische Texturen sondern sogar dynamische Reektionseigenschaften der Körperoberäche zu messen. Unser Reektionsmodell besteht aus einer parametrischen BRDF für jeden Texel und einer dynamischen Normalenkarte für die gesamte Körperoberäche. Auf diese Weise können 3D Videos auch unter völlig neuen simulierten Beleuchtungsbedingungen realistisch wiedergegeben werden. Teil III dieser Arbeit beschreibt ein neuartiges Verfahren zur optischen Messung sehr schneller Bewegungen. Bisher erforderten optische Aufnahmen von Hochgeschwindigkeitsbewegungen sehr teure Spezialkameras mit hohen Bildraten. Im Gegensatz dazu verwendet die hier beschriebene Methode einfache Digitalfotokameras und das Prinzip der Multiblitzfotograe. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe dieses Verfahrens sowohl die sehr schnelle artikulierte Handbewegung des Werfers als auch die Flugparameter des Balls während eines Baseballpitches gemessen werden können. Die hochgenau erfaßten Parameter ermöglichen es, die gemessene Bewegung in völlig neuer Weise im Computer zu visualisieren. Obgleich die in dieser Dissertation vorgestellten Verfahren vornehmlich der Analyse und Darstellung menschlicher Bewegungen dienen, sind die grundlegenden Prinzipien auch auf viele anderen Szenen anwendbar. Jeder der beschriebenen Algorithmen löst zwar in erster Linie ein bestimmtes Teilproblem, aber in Ihrer Gesamtheit können die Verfahren als Bausteine verstanden werden, welche die nächste Generation interaktiver dreidimensionaler Medien ermöglichen werden

Next generation cricket bowling machine

Cricket is a traditional team sport played in over 100 countries around the world. Unlike many mainstream sports, cricket has seen little research and development within the equipment used to play the game. Ball launching machines have been used as a training aid in a number of sports including cricket, however, as with the playing equipment used, these too have seen little development. Current cricket bowling machines enable players to train at a high intensity producing repeatable deliveries for batsmen to hone their skills. A need has been established by the coaching staff of the England and Wales Cricket Board (ECB) for a cricket training system that provides batsmen with a match realistic environment in which to train. Existing cricket bowling machines do not offer batsmen pre-release visual information that they would receive in a match situation and the most popular models release moulded, dimpled balls that do not replicate the performance of cricket balls.... cont'd

Analysis of the backpack loading efects on the human gait

Gait is a simple activity of daily life and one of the main abilities of the human being. Often during leisure, labour and sports activities, loads are carried over (e.g. backpack) during gait. These circumstantial loads can generate instability and increase biomechanicalstress over the human tissues and systems, especially on the locomotor, balance and postural regulation systems. According to Wearing (2006), subjects that carry a transitory or intermittent load will be able to find relatively efficient solutions to compensate its effects.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Grasping, Perching, And Visual Servoing For Micro Aerial Vehicles

Micro Aerial Vehicles (MAVs) have seen a dramatic growth in the consumer market because of their ability to provide new vantage points for aerial photography and videography. However, there is little consideration for physical interaction with the environment surrounding them. Onboard manipulators are absent, and onboard perception, if existent, is used to avoid obstacles and maintain a minimum distance from them. There are many applications, however, which would benefit greatly from aerial manipulation or flight in close proximity to structures. This work is focused on facilitating these types of close interactions between quadrotors and surrounding objects. We first explore high-speed grasping, enabling a quadrotor to quickly grasp an object while moving at a high relative velocity. Next, we discuss planning and control strategies, empowering a quadrotor to perch on vertical surfaces using a downward-facing gripper. Then, we demonstrate that such interactions can be achieved using only onboard sensors by incorporating vision-based control and vision-based planning. In particular, we show how a quadrotor can use a single camera and an Inertial Measurement Unit (IMU) to perch on a cylinder. Finally, we generalize our approach to consider objects in motion, and we present relative pose estimation and planning, enabling tracking of a moving sphere using only an onboard camera and IMU

The kinematics of batting against fast bowling in cricket

In cricket, batting against a fast bowler is thought to be one of the most challenging tasks a player must undertake. Despite this, minimal research exists investigating the techniques used by batsmen, with the majority of research focussed on injury mechanisms and pace generation in fast bowlers. The aim of this study was to investigate the techniques used by elite and amateur batsmen in a training environment, such that key aspects of batting technique relating to success could be extracted, and recommendations for future coaching practice and player development could be made. A novel methodology was developed for the collection of full body three-dimensional kinematic data of cricket batsmen in a realistic training environment. Kinematic and high-speed video (250 Hz) data were collected for 31 batsmen, and a three-dimensional full body biomechanical model was developed. Batsmen performed forward drive and pull shots against different delivery methods. Key events and kinematic parameters were defined, and used to produce detailed biomechanical descriptions of the forward drive and pull shots. A curve fitting methodology was developed and validated to determine the impact location of the ball on the bat face, and used to investigate the effects of impact location on shot outcome during a range hitting task. Impacts further from the sweetspot were found to generate lower ball speeds and decrease shot accuracy through bat twist. [Continues.

Multi-sensor human action recognition with particular application to tennis event-based indexing

The ability to automatically classify human actions and activities using vi- sual sensors or by analysing body worn sensor data has been an active re- search area for many years. Only recently with advancements in both fields and the ubiquitous nature of low cost sensors in our everyday lives has auto- matic human action recognition become a reality. While traditional sports coaching systems rely on manual indexing of events from a single modality, such as visual or inertial sensors, this thesis investigates the possibility of cap- turing and automatically indexing events from multimodal sensor streams. In this work, we detail a novel approach to infer human actions by fusing multimodal sensors to improve recognition accuracy. State of the art visual action recognition approaches are also investigated. Firstly we apply these action recognition detectors to basic human actions in a non-sporting con- text. We then perform action recognition to infer tennis events in a tennis court instrumented with cameras and inertial sensing infrastructure. The system proposed in this thesis can use either visual or inertial sensors to au- tomatically recognise the main tennis events during play. A complete event retrieval system is also presented to allow coaches to build advanced queries, which existing sports coaching solutions cannot facilitate, without an inordi- nate amount of manual indexing. The event retrieval interface is evaluated against a leading commercial sports coaching tool in terms of both usability and efficiency