3D Robotic Sensing of People: Human Perception, Representation and Activity Recognition

The robots are coming. Their presence will eventually bridge the digital-physical divide and dramatically impact human life by taking over tasks where our current society has shortcomings (e.g., search and rescue, elderly care, and child education). Human-centered robotics (HCR) is a vision to address how robots can coexist with humans and help people live safer, simpler and more independent lives. As humans, we have a remarkable ability to perceive the world around us, perceive people, and interpret their behaviors. Endowing robots with these critical capabilities in highly dynamic human social environments is a significant but very challenging problem in practical human-centered robotics applications. This research focuses on robotic sensing of people, that is, how robots can perceive and represent humans and understand their behaviors, primarily through 3D robotic vision. In this dissertation, I begin with a broad perspective on human-centered robotics by discussing its real-world applications and significant challenges. Then, I will introduce a real-time perception system, based on the concept of Depth of Interest, to detect and track multiple individuals using a color-depth camera that is installed on moving robotic platforms. In addition, I will discuss human representation approaches, based on local spatio-temporal features, including new “CoDe4D” features that incorporate both color and depth information, a new “SOD” descriptor to efficiently quantize 3D visual features, and the novel AdHuC features, which are capable of representing the activities of multiple individuals. Several new algorithms to recognize human activities are also discussed, including the RG-PLSA model, which allows us to discover activity patterns without supervision, the MC-HCRF model, which can explicitly investigate certainty in latent temporal patterns, and the FuzzySR model, which is used to segment continuous data into events and probabilistically recognize human activities. Cognition models based on recognition results are also implemented for decision making that allow robotic systems to react to human activities. Finally, I will conclude with a discussion of future directions that will accelerate the upcoming technological revolution of human-centered robotics

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

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

World model learning and inference

Understanding information processing in the brain-and creating general-purpose artificial intelligence-are long-standing aspirations of scientists and engineers worldwide. The distinctive features of human intelligence are high-level cognition and control in various interactions with the world including the self, which are not defined in advance and are vary over time. The challenge of building human-like intelligent machines, as well as progress in brain science and behavioural analyses, robotics, and their associated theoretical formalisations, speaks to the importance of the world-model learning and inference. In this article, after briefly surveying the history and challenges of internal model learning and probabilistic learning, we introduce the free energy principle, which provides a useful framework within which to consider neuronal computation and probabilistic world models. Next, we showcase examples of human behaviour and cognition explained under that principle. We then describe symbol emergence in the context of probabilistic modelling, as a topic at the frontiers of cognitive robotics. Lastly, we review recent progress in creating human-like intelligence by using novel probabilistic programming languages. The striking consensus that emerges from these studies is that probabilistic descriptions of learning and inference are powerful and effective ways to create human-like artificial intelligent machines and to understand intelligence in the context of how humans interact with their world

The University Defence Research Collaboration In Signal Processing

This chapter describes the development of algorithms for automatic detection of anomalies from multi-dimensional, undersampled and incomplete datasets. The challenge in this work is to identify and classify behaviours as normal or abnormal, safe or threatening, from an irregular and often heterogeneous sensor network. Many defence and civilian applications can be modelled as complex networks of interconnected nodes with unknown or uncertain spatio-temporal relations. The behavior of such heterogeneous networks can exhibit dynamic properties, reflecting evolution in both network structure (new nodes appearing and existing nodes disappearing), as well as inter-node relations. The UDRC work has addressed not only the detection of anomalies, but also the identification of their nature and their statistical characteristics. Normal patterns and changes in behavior have been incorporated to provide an acceptable balance between true positive rate, false positive rate, performance and computational cost. Data quality measures have been used to ensure the models of normality are not corrupted by unreliable and ambiguous data. The context for the activity of each node in complex networks offers an even more efficient anomaly detection mechanism. This has allowed the development of efficient approaches which not only detect anomalies but which also go on to classify their behaviour

REPRESENTATION LEARNING FOR ACTION RECOGNITION

The objective of this research work is to develop discriminative representations for human actions. The motivation stems from the fact that there are many issues encountered while capturing actions in videos like intra-action variations (due to actors, viewpoints, and duration), inter-action similarity, background motion, and occlusion of actors. Hence, obtaining a representation which can address all the variations in the same action while maintaining discrimination with other actions is a challenging task. In literature, actions have been represented either using either low-level or high-level features. Low-level features describe the motion and appearance in small spatio-temporal volumes extracted from a video. Due to the limited space-time volume used for extracting low-level features, they are not able to account for viewpoint and actor variations or variable length actions. On the other hand, high-level features handle variations in actors, viewpoints, and duration but the resulting representation is often high-dimensional which introduces the curse of dimensionality. In this thesis, we propose new representations for describing actions by combining the advantages of both low-level and high-level features. Specifically, we investigate various linear and non-linear decomposition techniques to extract meaningful attributes in both high-level and low-level features. In the first approach, the sparsity of high-level feature descriptors is leveraged to build action-specific dictionaries. Each dictionary retains only the discriminative information for a particular action and hence reduces inter-action similarity. Then, a sparsity-based classification method is proposed to classify the low-rank representation of clips obtained using these dictionaries. We show that this representation based on dictionary learning improves the classification performance across actions. Also, a few of the actions consist of rapid body deformations that hinder the extraction of local features from body movements. Hence, we propose to use a dictionary which is trained on convolutional neural network (CNN) features of the human body in various poses to reliably identify actors from the background. Particularly, we demonstrate the efficacy of sparse representation in the identification of the human body under rapid and substantial deformation. In the first two approaches, sparsity-based representation is developed to improve discriminability using class-specific dictionaries that utilize action labels. However, developing an unsupervised representation of actions is more beneficial as it can be used to both recognize similar actions and localize actions. We propose to exploit inter-action similarity to train a universal attribute model (UAM) in order to learn action attributes (common and distinct) implicitly across all the actions. Using maximum aposteriori (MAP) adaptation, a high-dimensional super action-vector (SAV) for each clip is extracted. As this SAV contains redundant attributes of all other actions, we use factor analysis to extract a novel lowvi dimensional action-vector representation for each clip. Action-vectors are shown to suppress background motion and highlight actions of interest in both trimmed and untrimmed clips that contributes to action recognition without the help of any classifiers. It is observed during our experiments that action-vector cannot effectively discriminate between actions which are visually similar to each other. Hence, we subject action-vectors to supervised linear embedding using linear discriminant analysis (LDA) and probabilistic LDA (PLDA) to enforce discrimination. Particularly, we show that leveraging complimentary information across action-vectors using different local features followed by discriminative embedding provides the best classification performance. Further, we explore non-linear embedding of action-vectors using Siamese networks especially for fine-grained action recognition. A visualization of the hidden layer output in Siamese networks shows its ability to effectively separate visually similar actions. This leads to better classification performance than linear embedding on fine-grained action recognition. All of the above approaches are presented on large unconstrained datasets with hundreds of examples per action. However, actions in surveillance videos like snatch thefts are difficult to model because of the diverse variety of scenarios in which they occur and very few labeled examples. Hence, we propose to utilize the universal attribute model (UAM) trained on large action datasets to represent such actions. Specifically, we show that there are similarities between certain actions in the large datasets with snatch thefts which help in extracting a representation for snatch thefts using the attributes from the UAM. This representation is shown to be effective in distinguishing snatch thefts from regular actions with high accuracy.In summary, this thesis proposes both supervised and unsupervised approaches for representing actions which provide better discrimination than existing representations. The first approach presents a dictionary learning based sparse representation for effective discrimination of actions. Also, we propose a sparse representation for the human body based on dictionaries in order to recognize actions with rapid body deformations. In the next approach, a low-dimensional representation called action-vector for unsupervised action recognition is presented. Further, linear and non-linear embedding of action-vectors is proposed for addressing inter-action similarity and fine-grained action recognition, respectively. Finally, we propose a representation for locating snatch thefts among thousands of regular interactions in surveillance videos