Patterns in Motion - From the Detection of Primitives to Steering Animations

In recent decades, the world of technology has developed rapidly. Illustrative of this trend is the growing number of affrdable methods for recording new and bigger data sets. The resulting masses of multivariate and high-dimensional data represent a new challenge for research and industry. This thesis is dedicated to the development of novel methods for processing multivariate time series data, thus meeting this Data Science related challenge. This is done by introducing a range of different methods designed to deal with time series data. The variety of methods re ects the different requirements and the typical stage of data processing ranging from pre-processing to post- processing and data recycling. Many of the techniques introduced work in a general setting. However, various types of motion recordings of human and animal subjects were chosen as representatives of multi-variate time series. The different data modalities include Motion Capture data, accelerations, gyroscopes, electromyography, depth data (Kinect) and animated 3D-meshes. It is the goal of this thesis to provide a deeper understanding of working with multi-variate time series by taking the example of multi-variate motion data. However, in order to maintain an overview of the matter, the thesis follows a basic general pipeline. This pipeline was developed as a guideline for time series processing and is the first contribution of this work. Each part of the thesis represents one important stage of this pipeline which can be summarized under the topics segmentation, analysis and synthesis. Specific examples of different data modalities, processing requirements and methods to meet those are discussed in the chapters of the respective parts. One important contribution of this thesis is a novel method for temporal segmentation of motion data. It is based on the idea of self-similarities within motion data and is capable of unsupervised segmentation of range of motion data into distinct activities and motion primitives. The examples concerned with the analysis of multi-variate time series re ect the role of data analysis in different inter-disciplinary contexts and also the variety of requirements that comes with collaboration with other sciences. These requirements are directly connected to current challenges in data science. Finally, the problem of synthesis of multi-variate time series is discussed using a graph-based example and examples related to rigging or steering of meshes. Synthesis is an important stage in data processing because it creates new data from existing ones in a controlled way. This makes exploiting existing data sets and and access of more condensed data possible, thus providing feasible alternatives to otherwise time-consuming manual processing.Muster in Bewegung - Von der Erkennung von Primitiven zur Steuerung von Animationen In den letzten Jahrzehnten hat sich die Welt der Technologie rapide entwickelt. Beispielhaft für diese Entwicklung ist die wachsende Zahl erschwinglicher Methoden zum Aufzeichnen neuer und immer größerer Datenmengen. Die sich daraus ergebenden Massen multivariater und hochdimensionaler Daten stellen Forschung wie Industrie vor neuartige Probleme. Diese Arbeit ist der Entwicklung neuer Verfahren zur Verarbeitung multivariater Zeitreihen gewidmet und stellt sich damit einer großen Herausforderung, welche unmittelbar mit dem neuen Feld der sogenannten Data Science verbunden ist. In ihr werden ein Reihe von verschiedenen Verfahren zur Verarbeitung multivariater Zeitserien eingeführt. Die verschiedenen Verfahren gehen jeweils auf unterschiedliche Anforderungen und typische Stadien der Datenverarbeitung ein und reichen von Vorverarbeitung bis zur Nachverarbeitung und darüber hinaus zur Wiederverwertung. Viele der vorgestellten Techniken eignen sich zur Verarbeitung allgemeiner multivariater Zeitreihen. Allerdings wurden hier eine Anzahl verschiedenartiger Aufnahmen von menschlichen und tierischen Subjekte ausgewählt, welche als Vertreter für allgemeine multivariate Zeitreihen gelten können. Zu den unterschiedlichen Modalitäten der Aufnahmen gehören Motion Capture Daten, Beschleunigungen, Gyroskopdaten, Elektromyographie, Tiefenbilder ( Kinect ) und animierte 3D -Meshes. Es ist das Ziel dieser Arbeit, am Beispiel der multivariaten Bewegungsdaten ein tieferes Verstndnis für den Umgang mit multivariaten Zeitreihen zu vermitteln. Um jedoch einen Überblick ber die Materie zu wahren, folgt sie jedoch einer grundlegenden und allgemeinen Pipeline. Diese Pipeline wurde als Leitfaden für die Verarbeitung von Zeitreihen entwickelt und ist der erste Beitrag dieser Arbeit. Jeder weitere Teil der Arbeit behandelt eine von drei größeren Stationen in der Pipeline, welche sich unter unter die Themen Segmentierung, Analyse und Synthese eingliedern lassen. Beispiele verschiedener Datenmodalitäten und Anforderungen an ihre Verarbeitung erläutern die jeweiligen Verfahren. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit ist ein neuartiges Verfahren zur zeitlichen Segmentierung von Bewegungsdaten. Dieses basiert auf der Idee der Selbstähnlichkeit von Bewegungsdaten und ist in der Lage, verschiedenste Bewegungsdaten voll-automatisch in unterschiedliche Aktivitäten und Bewegungs-Primitive zu zerlegen. Die Beispiele fr die Analyse multivariater Zeitreihen spiegeln die Rolle der Datenanalyse in verschiedenen interdisziplinären Zusammenhänge besonders wider und illustrieren auch die Vielfalt der Anforderungen, die sich in interdisziplinären Kontexten auftun. Schließlich wird das Problem der Synthese multivariater Zeitreihen unter Verwendung eines graph-basierten und eines Steering Beispiels diskutiert. Synthese ist insofern ein wichtiger Schritt in der Datenverarbeitung, da sie es erlaubt, auf kontrollierte Art neue Daten aus vorhandenen zu erzeugen. Dies macht die Nutzung bestehender Datensätze und den Zugang zu dichteren Datenmodellen möglich, wodurch Alternativen zur ansonsten zeitaufwendigen manuellen Verarbeitung aufgezeigt werden

Novel Methods for Surface EMG Analysis and Exploration Based on Multi-Modal Gaussian Mixture Models

<div><p>This paper introduces a new method for data analysis of animal muscle activation during locomotion. It is based on fitting Gaussian mixture models (GMMs) to surface EMG data (sEMG). This approach enables researchers/users to isolate parts of the overall muscle activation within locomotion EMG data. Furthermore, it provides new opportunities for analysis and exploration of sEMG data by using the resulting Gaussian modes as atomic building blocks for a hierarchical clustering. In our experiments, composite peak models representing the general activation pattern per sensor location (one sensor on the long back muscle, three sensors on the gluteus muscle on each body side) were identified per individual for all 14 horses during walk and trot in the present study. Hereby we show the applicability of the method to identify composite peak models, which describe activation of different muscles throughout cycles of locomotion.</p></div

Cluster tree visualization, m. longissimus dorsi.

<p>One sensor per side capturing trot. Note that only the upper part of the tree is shown, namely at a level where 4 clusters are created (red highlighting).</p

Distances between the two highest peaks found in the sEMG signal per cycle.

<p>Note that the distance is measured on a cycle, i. e. the “‘take the shortest route”’ is always taken even across the first respectively last frame (the distance between the first and last frame will be 1 instead of 99).</p

Inter-Subject Deviations Walk.

<p>Inter-Subject Deviations Walk.</p

Inter-Subject Deviations Trot.

<p>Inter-Subject Deviations Trot.</p

Cauchy-Schwarz Distances of Multi-Modal Models Full vs. Peak-Based.

<p>Cauchy-Schwarz Distances of Multi-Modal Models Full vs. Peak-Based.</p

Summary on intra-subject variability in trot. Evaluation by the measures discussed in [11].

<p>Summary on intra-subject variability in trot. Evaluation by the measures discussed in [<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0157239#pone.0157239.ref011" target="_blank">11</a>].</p

Peak-based model.

<p>Illustration of GMM model estimated by EM algorithm. Blue markers are peak positions of mean curve. Red markers are optimized means of GMM modes. Gray curves are data.</p

Maximum and Minimum Number of Modes Per Subject.

<p>Maximum and Minimum Number of Modes Per Subject.</p