Temporal Extension of Scale Pyramid and Spatial Pyramid Matching for Action Recognition

Historically, researchers in the field have spent a great deal of effort to create image representations that have scale invariance and retain spatial location information. This paper proposes to encode equivalent temporal characteristics in video representations for action recognition. To achieve temporal scale invariance, we develop a method called temporal scale pyramid (TSP). To encode temporal information, we present and compare two methods called temporal extension descriptor (TED) and temporal division pyramid (TDP) . Our purpose is to suggest solutions for matching complex actions that have large variation in velocity and appearance, which is missing from most current action representations. The experimental results on four benchmark datasets, UCF50, HMDB51, Hollywood2 and Olympic Sports, support our approach and significantly outperform state-of-the-art methods. Most noticeably, we achieve 65.0% mean accuracy and 68.2% mean average precision on the challenging HMDB51 and Hollywood2 datasets which constitutes an absolute improvement over the state-of-the-art by 7.8% and 3.9%, respectively

Audio-visual football video analysis, from structure detection to attention analysis

Sport video is an important video genre. Content-based sports video analysis attracts great interest from both industry and academic fields. A sports video is characterised by repetitive temporal structures, relatively plain contents, and strong spatio-temporal variations, such as quick camera switches and swift local motions. It is necessary to develop specific techniques for content-based sports video analysis to utilise these characteristics. For an efficient and effective sports video analysis system, there are three fundamental questions: (1) what are key stories for sports videos; (2) what incurs viewer’s interest; and (3) how to identify game highlights. This thesis is developed around these questions. We approached these questions from two different perspectives and in turn three research contributions are presented, namely, replay detection, attack temporal structure decomposition, and attention-based highlight identification. Replay segments convey the most important contents in sports videos. It is an efficient approach to collect game highlights by detecting replay segments. However, replay is an artefact of editing, which improves with advances in video editing tools. The composition of replay is complex, which includes logo transitions, slow motions, viewpoint switches and normal speed video clips. Since logo transition clips are pervasive in game collections of FIFA World Cup 2002, FIFA World Cup 2006 and UEFA Championship 2006, we take logo transition detection as an effective replacement of replay detection. A two-pass system was developed, including a five-layer adaboost classifier and a logo template matching throughout an entire video. The five-layer adaboost utilises shot duration, average game pitch ratio, average motion, sequential colour histogram and shot frequency between two neighbouring logo transitions, to filter out logo transition candidates. Subsequently, a logo template is constructed and employed to find all transition logo sequences. The precision and recall of this system in replay detection is 100% in a five-game evaluation collection. An attack structure is a team competition for a score. Hence, this structure is a conceptually fundamental unit of a football video as well as other sports videos. We review the literature of content-based temporal structures, such as play-break structure, and develop a three-step system for automatic attack structure decomposition. Four content-based shot classes, namely, play, focus, replay and break were identified by low level visual features. A four-state hidden Markov model was trained to simulate transition processes among these shot classes. Since attack structures are the longest repetitive temporal unit in a sports video, a suffix tree is proposed to find the longest repetitive substring in the label sequence of shot class transitions. These occurrences of this substring are regarded as a kernel of an attack hidden Markov process. Therefore, the decomposition of attack structure becomes a boundary likelihood comparison between two Markov chains. Highlights are what attract notice. Attention is a psychological measurement of “notice ”. A brief survey of attention psychological background, attention estimation from vision and auditory, and multiple modality attention fusion is presented. We propose two attention models for sports video analysis, namely, the role-based attention model and the multiresolution autoregressive framework. The role-based attention model is based on the perception structure during watching video. This model removes reflection bias among modality salient signals and combines these signals by reflectors. The multiresolution autoregressive framework (MAR) treats salient signals as a group of smooth random processes, which follow a similar trend but are filled with noise. This framework tries to estimate a noise-less signal from these coarse noisy observations by a multiple resolution analysis. Related algorithms are developed, such as event segmentation on a MAR tree and real time event detection. The experiment shows that these attention-based approach can find goal events at a high precision. Moreover, results of MAR-based highlight detection on the final game of FIFA 2002 and 2006 are highly similar to professionally labelled highlights by BBC and FIFA

Visual Concept Detection in Images and Videos

The rapidly increasing proliferation of digital images and videos leads to a situation where content-based search in multimedia databases becomes more and more important. A prerequisite for effective image and video search is to analyze and index media content automatically. Current approaches in the field of image and video retrieval focus on semantic concepts serving as an intermediate description to bridge the “semantic gap” between the data representation and the human interpretation. Due to the large complexity and variability in the appearance of visual concepts, the detection of arbitrary concepts represents a very challenging task. In this thesis, the following aspects of visual concept detection systems are addressed: First, enhanced local descriptors for mid-level feature coding are presented. Based on the observation that scale-invariant feature transform (SIFT) descriptors with different spatial extents yield large performance differences, a novel concept detection system is proposed that combines feature representations for different spatial extents using multiple kernel learning (MKL). A multi-modal video concept detection system is presented that relies on Bag-of-Words representations for visual and in particular for audio features. Furthermore, a method for the SIFT-based integration of color information, called color moment SIFT, is introduced. Comparative experimental results demonstrate the superior performance of the proposed systems on the Mediamill and on the VOC Challenge. Second, an approach is presented that systematically utilizes results of object detectors. Novel object-based features are generated based on object detection results using different pooling strategies. For videos, detection results are assembled to object sequences and a shot-based confidence score as well as further features, such as position, frame coverage or movement, are computed for each object class. These features are used as additional input for the support vector machine (SVM)-based concept classifiers. Thus, other related concepts can also profit from object-based features. Extensive experiments on the Mediamill, VOC and TRECVid Challenge show significant improvements in terms of retrieval performance not only for the object classes, but also in particular for a large number of indirectly related concepts. Moreover, it has been demonstrated that a few object-based features are beneficial for a large number of concept classes. On the VOC Challenge, the additional use of object-based features led to a superior performance for the image classification task of 63.8% mean average precision (AP). Furthermore, the generalization capabilities of concept models are investigated. It is shown that different source and target domains lead to a severe loss in concept detection performance. In these cross-domain settings, object-based features achieve a significant performance improvement. Since it is inefficient to run a large number of single-class object detectors, it is additionally demonstrated how a concurrent multi-class object detection system can be constructed to speed up the detection of many object classes in images. Third, a novel, purely web-supervised learning approach for modeling heterogeneous concept classes in images is proposed. Tags and annotations of multimedia data in the WWW are rich sources of information that can be employed for learning visual concepts. The presented approach is aimed at continuous long-term learning of appearance models and improving these models periodically. For this purpose, several components have been developed: a crawling component, a multi-modal clustering component for spam detection and subclass identification, a novel learning component, called “random savanna”, a validation component, an updating component, and a scalability manager. Only a single word describing the visual concept is required to initiate the learning process. Experimental results demonstrate the capabilities of the individual components. Finally, a generic concept detection system is applied to support interdisciplinary research efforts in the field of psychology and media science. The psychological research question addressed in the field of behavioral sciences is, whether and how playing violent content in computer games may induce aggression. Therefore, novel semantic concepts most notably “violence” are detected in computer game videos to gain insights into the interrelationship of violent game events and the brain activity of a player. Experimental results demonstrate the excellent performance of the proposed automatic concept detection approach for such interdisciplinary research

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

Video Sequence Alignment

The task of aligning multiple audio visual sequences with similar contents needs careful synchronisation in both spatial and temporal domains. It is a challenging task due to a broad range of contents variations, background clutter, occlusions, and other factors. This thesis is concerned with aligning video contents by characterising the spatial and temporal information embedded in the high-dimensional space. To that end a three- stage framework is developed, involving space-time representation of video clips with local linear coding, followed by their alignment in the manifold embedded space. The first two stages present a video representation techniques based on local feature extraction and linear coding methods. Firstly, the scale invariant feature transform (SIFT) is extended to extract interest points not only from the spatial plane but also from the planes along the space-time axis. Locality constrained coding is then incorporated to project each descriptor into a local coordinate system produced by a pooling technique. Human action classification benchmarks are adopted to evaluate these two stages, comparing their performance against existing techniques. The results shows that space-time extension of SIFT with a linear coding scheme outperforms most of the state-of-the-art approaches on the action classification task owing to its ability to represent complex events in video sequences. The final stage presents a manifold learning algorithm with spatio-temporal constraints to embed a video clip in a lower dimensional space while preserving the intrinsic geometry of the data. The similarities observed between frame sequences are captured by defining two types of correlation graphs: an intra-correlation graph within a single video sequence and an inter-correlation graph between two sequences. A video retrieval and ranking tasks are designed to evaluate the manifold learning stage. The experimental outcome shows that the approach outperforms the conventional techniques in defining similar video contents and capture the spatio-temporal correlations between them

Hierarchical representations for spatio-temporal visual attention: modeling and understanding

Mención Internacional en el título de doctorDentro del marco de la Inteligencia Artificial, la Visión Artificial es una disciplina científica que tiene como objetivo simular automaticamente las funciones del sistema visual humano, tratando de resolver tareas como la localización y el reconocimiento de objetos, la detección de eventos o el seguimiento de objetos....Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Luis Salgado Álvarez de Sotomayor.- Secretario: Ascensión Gallardo Antolín.- Vocal: Jenny Benois Pinea