Unsupervised Activity Extraction on Long-Term Video Recordings employing Soft Computing Relations

International audienceIn this work we present a novel approach for activity extraction and knowledge discovery from video employing fuzzy relations. Spatial and temporal properties from detected mobile objects are modeled with fuzzy relations. These can then be aggregated employing typical soft-computing algebra. A clustering algorithm based on the transitive closure calculation of the fuzzy relations allows finding spatio-temporal patterns of activity. We present results obtained on videos corresponding to different sequences of apron monitoring in the Toulouse airport in France

Activity discovery from video employing soft computing relations

International audienceThe present work presents a novel approach for activity extraction and knowledge discovery from video. Spatial and temporal properties from detected mobile objects are modeled employing fuzzy relations. These can then be aggregated employing typical soft-computing algebra. A clustering algorithm based on the transitive closure calculation of the fuzzy relations allows finding spatio-temporal patterns of activity. We employ trajectory-based analysis of mobiles in the video to discover the points of entry and exit of mobiles appearing in the scene and ultimately deduce the different areas of activity in the scene. These areas can be reported as activity maps with different granularities thanks to the analysis of the transitive closure matrix of the mobile fuzzy spatial relations. Discovered activity zones and spatio-temporal patterns of activity can be labeled in a human-like language. We present results obtained on real videos corresponding to apron monitoring in the Toulouse airport in France

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

Analyzing Human-Human Interactions: A Survey

Many videos depict people, and it is their interactions that inform us of their activities, relation to one another and the cultural and social setting. With advances in human action recognition, researchers have begun to address the automated recognition of these human-human interactions from video. The main challenges stem from dealing with the considerable variation in recording setting, the appearance of the people depicted and the coordinated performance of their interaction. This survey provides a summary of these challenges and datasets to address these, followed by an in-depth discussion of relevant vision-based recognition and detection methods. We focus on recent, promising work based on deep learning and convolutional neural networks (CNNs). Finally, we outline directions to overcome the limitations of the current state-of-the-art to analyze and, eventually, understand social human actions

Decoding Neural Signals with Computational Models: A Systematic Review of Invasive BMI

There are significant milestones in modern human's civilization in which mankind stepped into a different level of life with a new spectrum of possibilities and comfort. From fire-lighting technology and wheeled wagons to writing, electricity and the Internet, each one changed our lives dramatically. In this paper, we take a deep look into the invasive Brain Machine Interface (BMI), an ambitious and cutting-edge technology which has the potential to be another important milestone in human civilization. Not only beneficial for patients with severe medical conditions, the invasive BMI technology can significantly impact different technologies and almost every aspect of human's life. We review the biological and engineering concepts that underpin the implementation of BMI applications. There are various essential techniques that are necessary for making invasive BMI applications a reality. We review these through providing an analysis of (i) possible applications of invasive BMI technology, (ii) the methods and devices for detecting and decoding brain signals, as well as (iii) possible options for stimulating signals into human's brain. Finally, we discuss the challenges and opportunities of invasive BMI for further development in the area.Comment: 51 pages, 14 figures, review articl

Computational Modeling of Face-to-Face Social Interaction Using Nonverbal Behavioral Cues

The computational modeling of face-to-face interactions using nonverbal behavioral cues is an emerging and relevant problem in social computing. Studying face-to-face interactions in small groups helps in understanding the basic processes of individual and group behavior; and improving team productivity and satisfaction in the modern workplace. Apart from the verbal channel, nonverbal behavioral cues form a rich communication channel through which people infer – often automatically and unconsciously – emotions, relationships, and traits of fellowmembers. There exists a solid body of knowledge about small groups and the multimodal nature of the nonverbal phenomenon in social psychology and nonverbal communication. However, the problem has only recently begun to be studied in the multimodal processing community. A recent trend is to analyze these interactions in the context of face-to-face group conversations, using multiple sensors and make inferences automatically without the need of a human expert. These problems can be formulated in a machine learning framework involving the extraction of relevant audio, video features and the design of supervised or unsupervised learning models. While attempting to bridge social psychology, perception, and machine learning, certain factors have to be considered. Firstly, various group conversation patterns emerge at different time-scales. For example, turn-taking patterns evolve over shorter time scales, whereas dominance or group-interest trends get established over larger time scales. Secondly, a set of audio and visual cues that are not only relevant but also robustly computable need to be chosen. Thirdly, unlike typical machine learning problems where ground truth is well defined, interaction modeling involves data annotation that needs to factor in inter-annotator variability. Finally, principled ways of integrating the multimodal cues have to be investigated. In the thesis, we have investigated individual social constructs in small groups like dominance and status (two facets of the so-called vertical dimension of social relations). In the first part of this work, we have investigated how dominance perceived by external observers can be estimated by different nonverbal audio and video cues, and affected by annotator variability, the estimationmethod, and the exact task involved. In the second part, we jointly study perceived dominance and role-based status to understand whether dominant people are the ones with high status and whether dominance and status in small-group conversations be automatically explained by the same nonverbal cues. We employ speaking activity, visual activity, and visual attention cues for both the works. In the second part of the thesis, we have investigated group social constructs using both supervised and unsupervised approaches. We first propose a novel framework to characterize groups. The two-layer framework consists of a individual layer and the group layer. At the individual layer, the floor-occupation patterns of the individuals are captured. At the group layer, the identity information of the individuals is not used. We define group cues by aggregating individual cues over time and person, and use them to classify group conversational contexts – cooperative vs competitive and brainstorming vs decision-making. We then propose a framework to discover group interaction patterns using probabilistic topicmodels. An objective evaluation of ourmethodology involving human judgment and multiple annotators, showed that the learned topics indeed are meaningful, and also that the discovered patterns resemble prototypical leadership styles – autocratic, participative, and free-rein – proposed in social psychology

Bag-of-words representations for computer audition

Computer audition is omnipresent in everyday life, in applications ranging from personalised virtual agents to health care. From a technical point of view, the goal is to robustly classify the content of an audio signal in terms of a defined set of labels, such as, e.g., the acoustic scene, a medical diagnosis, or, in the case of speech, what is said or how it is said. Typical approaches employ machine learning (ML), which means that task-specific models are trained by means of examples. Despite recent successes in neural network-based end-to-end learning, taking the raw audio signal as input, models relying on hand-crafted acoustic features are still superior in some domains, especially for tasks where data is scarce. One major issue is nevertheless that a sequence of acoustic low-level descriptors (LLDs) cannot be fed directly into many ML algorithms as they require a static and fixed-length input. Moreover, also for dynamic classifiers, compressing the information of the LLDs over a temporal block by summarising them can be beneficial. However, the type of instance-level representation has a fundamental impact on the performance of the model. In this thesis, the so-called bag-of-audio-words (BoAW) representation is investigated as an alternative to the standard approach of statistical functionals. BoAW is an unsupervised method of representation learning, inspired from the bag-of-words method in natural language processing, forming a histogram of the terms present in a document. The toolkit openXBOW is introduced, enabling systematic learning and optimisation of these feature representations, unified across arbitrary modalities of numeric or symbolic descriptors. A number of experiments on BoAW are presented and discussed, focussing on a large number of potential applications and corresponding databases, ranging from emotion recognition in speech to medical diagnosis. The evaluations include a comparison of different acoustic LLD sets and configurations of the BoAW generation process. The key findings are that BoAW features are a meaningful alternative to statistical functionals, offering certain benefits, while being able to preserve the advantages of functionals, such as data-independence. Furthermore, it is shown that both representations are complementary and their fusion improves the performance of a machine listening system.Maschinelles Hören ist im täglichen Leben allgegenwärtig, mit Anwendungen, die von personalisierten virtuellen Agenten bis hin zum Gesundheitswesen reichen. Aus technischer Sicht besteht das Ziel darin, den Inhalt eines Audiosignals hinsichtlich einer Auswahl definierter Labels robust zu klassifizieren. Die Labels beschreiben bspw. die akustische Umgebung der Aufnahme, eine medizinische Diagnose oder - im Falle von Sprache - was gesagt wird oder wie es gesagt wird. Übliche Ansätze hierzu verwenden maschinelles Lernen, d.h., es werden anwendungsspezifische Modelle anhand von Beispieldaten trainiert. Trotz jüngster Erfolge beim Ende-zu-Ende-Lernen mittels neuronaler Netze, in welchen das unverarbeitete Audiosignal als Eingabe benutzt wird, sind Modelle, die auf definierten akustischen Merkmalen basieren, in manchen Bereichen weiterhin überlegen. Dies gilt im Besonderen für Einsatzzwecke, für die nur wenige Daten vorhanden sind. Allerdings besteht dabei das Problem, dass Zeitfolgen von akustischen Deskriptoren in viele Algorithmen des maschinellen Lernens nicht direkt eingespeist werden können, da diese eine statische Eingabe fester Länge benötigen. Außerdem kann es auch für dynamische (zeitabhängige) Klassifikatoren vorteilhaft sein, die Deskriptoren über ein gewisses Zeitintervall zusammenzufassen. Jedoch hat die Art der Merkmalsdarstellung einen grundlegenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Modells. In der vorliegenden Dissertation wird der sogenannte Bag-of-Audio-Words-Ansatz (BoAW) als Alternative zum Standardansatz der statistischen Funktionale untersucht. BoAW ist eine Methode des unüberwachten Lernens von Merkmalsdarstellungen, die von der Bag-of-Words-Methode in der Computerlinguistik inspiriert wurde, bei der ein Textdokument als Histogramm der vorkommenden Wörter beschrieben wird. Das Toolkit openXBOW wird vorgestellt, welches systematisches Training und Optimierung dieser Merkmalsdarstellungen - vereinheitlicht für beliebige Modalitäten mit numerischen oder symbolischen Deskriptoren - erlaubt. Es werden einige Experimente zum BoAW-Ansatz durchgeführt und diskutiert, die sich auf eine große Zahl möglicher Anwendungen und entsprechende Datensätze beziehen, von der Emotionserkennung in gesprochener Sprache bis zur medizinischen Diagnostik. Die Auswertungen beinhalten einen Vergleich verschiedener akustischer Deskriptoren und Konfigurationen der BoAW-Methode. Die wichtigsten Erkenntnisse sind, dass BoAW-Merkmalsvektoren eine geeignete Alternative zu statistischen Funktionalen darstellen, gewisse Vorzüge bieten und gleichzeitig wichtige Eigenschaften der Funktionale, wie bspw. die Datenunabhängigkeit, erhalten können. Zudem wird gezeigt, dass beide Darstellungen komplementär sind und eine Fusionierung die Leistungsfähigkeit eines Systems des maschinellen Hörens verbessert

Data-Driven Representation Learning in Multimodal Feature Fusion

abstract: Modern machine learning systems leverage data and features from multiple modalities to gain more predictive power. In most scenarios, the modalities are vastly different and the acquired data are heterogeneous in nature. Consequently, building highly effective fusion algorithms is at the core to achieve improved model robustness and inferencing performance. This dissertation focuses on the representation learning approaches as the fusion strategy. Specifically, the objective is to learn the shared latent representation which jointly exploit the structural information encoded in all modalities, such that a straightforward learning model can be adopted to obtain the prediction. We first consider sensor fusion, a typical multimodal fusion problem critical to building a pervasive computing platform. A systematic fusion technique is described to support both multiple sensors and descriptors for activity recognition. Targeted to learn the optimal combination of kernels, Multiple Kernel Learning (MKL) algorithms have been successfully applied to numerous fusion problems in computer vision etc. Utilizing the MKL formulation, next we describe an auto-context algorithm for learning image context via the fusion with low-level descriptors. Furthermore, a principled fusion algorithm using deep learning to optimize kernel machines is developed. By bridging deep architectures with kernel optimization, this approach leverages the benefits of both paradigms and is applied to a wide variety of fusion problems. In many real-world applications, the modalities exhibit highly specific data structures, such as time sequences and graphs, and consequently, special design of the learning architecture is needed. In order to improve the temporal modeling for multivariate sequences, we developed two architectures centered around attention models. A novel clinical time series analysis model is proposed for several critical problems in healthcare. Another model coupled with triplet ranking loss as metric learning framework is described to better solve speaker diarization. Compared to state-of-the-art recurrent networks, these attention-based multivariate analysis tools achieve improved performance while having a lower computational complexity. Finally, in order to perform community detection on multilayer graphs, a fusion algorithm is described to derive node embedding from word embedding techniques and also exploit the complementary relational information contained in each layer of the graph.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201