Generic system for human-computer gesture interaction: applications on sign language recognition and robotic soccer refereeing

Hand gestures are a powerful way for human communication, with lots of potential applications in the area of human computer interaction. Vision-based hand gesture recognition techniques have many proven advantages compared with traditional devices, giving users a simpler and more natural way to communicate with electronic devices. This work proposes a generic system architecture based in computer vision and machine learning, able to be used with any interface for human-computer interaction. The proposed solution is mainly composed of three modules: a pre-processing and hand segmentation module, a static gesture interface module and a dynamic gesture interface module. The experiments showed that the core of visionbased interaction systems could be the same for all applications and thus facilitate the implementation. For hand posture recognition, a SVM (Support Vector Machine) model was trained and used, able to achieve a final accuracy of 99.4%. For dynamic gestures, an HMM (Hidden Markov Model) model was trained for each gesture that the system could recognize with a final average accuracy of 93.7%. The proposed solution as the advantage of being generic enough with the trained models able to work in real-time, allowing its application in a wide range of human-machine applications. To validate the proposed framework two applications were implemented. The first one is a real-time system able to interpret the Portuguese Sign Language. The second one is an online system able to help a robotic soccer game referee judge a game in real time.

Vision-based portuguese sign language recognition system

Vision-based hand gesture recognition is an area of active current research in computer vision and machine learning. Being a natural way of human interaction, it is an area where many researchers are working on, with the goal of making human computer interaction (HCI) easier and natural, without the need for any extra devices. So, the primary goal of gesture recognition research is to create systems, which can identify specific human gestures and use them, for example, to convey information. For that, vision-based hand gesture interfaces require fast and extremely robust hand detection, and gesture recognition in real time. Hand gestures are a powerful human communication modality with lots of potential applications and in this context we have sign language recognition, the communication method of deaf people. Sign lan- guages are not standard and universal and the grammars differ from country to coun- try. In this paper, a real-time system able to interpret the Portuguese Sign Language is presented and described. Experiments showed that the system was able to reliably recognize the vowels in real-time, with an accuracy of 99.4% with one dataset of fea- tures and an accuracy of 99.6% with a second dataset of features. Although the im- plemented solution was only trained to recognize the vowels, it is easily extended to recognize the rest of the alphabet, being a solid foundation for the development of any vision-based sign language recognition user interface system.

Generic system for human-computer gesture interaction

Hand gestures are a powerful way for human communication, with lots of potential applications in the area of human computer interaction. Vision-based hand gesture recognition techniques have many proven advantages compared with traditional devices, giving users a simpler and more natural way to communicate with electronic devices. This work proposes a generic system architecture based in computer vision and machine learning, able to be used with any interface for humancomputer interaction. The proposed solution is mainly composed of three modules: a pre-processing and hand segmentation module, a static gesture interface module and a dynamic gesture interface module. The experiments showed that the core of vision-based interaction systems can be the same for all applications and thus facilitate the implementation. In order to test the proposed solutions, three prototypes were implemented. For hand posture recognition, a SVM model was trained and used, able to achieve a final accuracy of 99.4%. For dynamic gestures, an HMM model was trained for each gesture that the system could recognize with a final average accuracy of 93.7%. The proposed solution as the advantage of being generic enough with the trained models able to work in real-time, allowing its application in a wide range of human-machine applications.

Accuracy estimation of a new omnidirectional 3D vision sensor

We present a computer vision system that associates omnidirectional vision with structured light with the aim of obtaining depth information for a 360 degrees field of view. The approach proposed in this article combines an omnidirectional camera with a panoramic laser projector. The article shows how the sensor is modelled and its accuracy is proved by means of experimental results. The proposed sensor provides useful information for robot navigation applications, pipe inspection, 3D scene modelling etc

Behaviours implemented using a vision system based on coded light projection

In a search for new sensor systems and new methods for underwater vehicle positioning based on visual observation, this paper presents a computer vision system based on coded light projection. 3D information is taken from an underwater scene. This information is used to test obstacle avoidance behaviour. In addition, the main ideas for achieving stabilisation of the vehicle in front of an object are presented

Learning Grasp Affordances from Vision

Monimutkaisissa ja muuttuvissa ympäristöissä työskentelevät robotit tarvitsevat kykyä manipuloida ja tarttua esineisiin. Tämä työ tutkii robottitarttumisen ja robottitartuntapis-teiden koneoppimisen aiempaa tutkimusta ja nykytilaa. Nykyaikaiset menetelmät käydään läpi, ja Le:n koneoppimiseen pohjautuva luokitin toteutetaan, koska se tarjoaa parhaan onnistumisprosentin tutkituista menetelmistä ja on muokattavissa sopivaksi käytettävissä olevalle robotille. Toteutettu menetelmä käyttää intensititeettikuvaan ja syvyyskuvaan po-hjautuvia ominaisuuksi luokitellakseen potentiaaliset tartuntapisteet. Tämän toteutuksen tulokset esitellään.

Exploitation de contraintes photométriques et géométriques en vision : application au suivi, au calibrage et à la reconstruction

Cette thése a été réalisée dans le cadre d'une cotutelle avec l'Institut National Polytechnique de Grenoble (France). La recherche a été effectuée au sein des laboratoires de vision 3D (DIRO, UdM) et PERCEPTION-INRIA (Grenoble).

Accuracy estimation of a new omnidirectional 3D vision sensor

We present a computer vision system that associates omnidirectional vision with structured light with the aim of obtaining depth information for a 360 degrees field of view. The approach proposed in this article combines an omnidirectional camera with a panoramic laser projector. The article shows how the sensor is modelled and its accuracy is proved by means of experimental results. The proposed sensor provides useful information for robot navigation applications, pipe inspection, 3D scene modelling etc

Behaviours implemented using a vision system based on coded light projection

In a search for new sensor systems and new methods for underwater vehicle positioning based on visual observation, this paper presents a computer vision system based on coded light projection. 3D information is taken from an underwater scene. This information is used to test obstacle avoidance behaviour. In addition, the main ideas for achieving stabilisation of the vehicle in front of an object are presented

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

Marr's vision: twenty-five years on

It is twenty-five years since the posthumous publication of David Marr's book Vision [1]. Only 35 years old when he died, Man, had already dramatically influenced vision research. His book, and the series of papers that preceded it, have had a lasting impact on the way that researchers approach human and computer vision.

Empirical impact of cache effects for vision system design

Computer vision applications generally split their problem into multiple simpler tasks. Likewise research often combines algorithms into systems for evaluation purposes. Frameworks for modular vision provide interfaces and mechanisms for algorithm combination and network transparency. However, these don’t provide interfaces efficiently utilising the slow memory in modern PCs. We investigate quantitatively how system performance varies with different patterns of memory usage by the framework for an example vision system.

Line based camera calibration in machine vision dynamic applications

The problem of dynamic camera calibration considering moving objects in close range environments using straight lines as references is addressed. A mathematical model for the correspondence of a straight line in the object and image spaces is discussed. This model is based on the equivalence between the vector normal to the interpretation plane in the image space and the vector normal to the rotated interpretation plane in the object space. In order to solve the dynamic camera calibration, Kalman Filtering is applied; an iterative process based on the recursive property of the Kalman Filter is defined, using the sequentially estimated camera orientation parameters to feedback the feature extraction process in the image. For the dynamic case, e.g. an image sequence of a moving object, a state prediction and a covariance matrix for the next instant is obtained using the available estimates and the system model. Filtered state estimates can be computed from these predicted estimates using the Kalman Filtering approach and based on the system model parameters with good quality, for each instant of an image sequence. The proposed approach was tested with simulated and real data. Experiments with real data were carried out in a controlled environment, considering a sequence of images of a moving cube in a linear trajectory over a flat surface.

Machine vision to identify broiler breeder behavior

Animal behavioral parameters can be used to assess welfare status in commercial broiler breeders. Behavioral parameters can be monitored with a variety of sensing devices, for instance, the use of video cameras allows comprehensive assessment of animal behavioral expressions. Nevertheless, the development of efficient methods and algorithms to continuously identify and differentiate animal behavior patterns is needed. The objective this study was to provide a methodology to identify hen white broiler breeder behavior using combined techniques of image processing and computer vision. These techniques were applied to differentiate body shapes from a sequence of frames as the birds expressed their behaviors. The method was comprised of four stages: (1) identification of body positions and their relationship with typical behaviors. For this stage, the number of frames required to identify each behavior was determined; (2) collection of image samples, with the isolation of the birds that expressed a behavior of interest; (3) image processing and analysis using a filter developed to separate white birds from the dark background; and finally (4) construction and validation of a behavioral classification tree, using the software tool Weka (model 148). The constructed tree was structured in 8 levels and 27 leaves, and it was validated using two modes: the set training mode with an overall rate of success of 96.7%, and the cross validation mode with an overall rate of success of 70.3%. The results presented here confirmed the feasibility of the method developed to identify white broiler breeder behavior for a particular group of study. Nevertheless, more improvements in the method can be made in order to increase the validation overall rate of success. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Risk factors for computer visual syndrome (CVS) among operators of two call centers in Sao Paulo, Brazil

The aims of this study were to investigate work conditions, to estimate the prevalence and to describe risk factors associated with Computer Vision Syndrome among two call centers' operators in Sao Paulo (n = 476). The methods include a quantitative cross-sectional observational study and an ergonomic work analysis, using work observation, interviews and questionnaires. The case definition was the presence of one or more specific ocular symptoms answered as always, often or sometimes. The multiple logistic regression model, were created using the stepwise forward likelihood method and remained the variables with levels below 5% (p < 0.05). The operators were mainly female and young (from 15 to 24 years old). The call center was opened 24 hours and the operators weekly hours were 36 hours with break time from 21 to 35 minutes per day. The symptoms reported were eye fatigue (73.9%), "weight" in the eyes (68.2%), "burning" eyes (54.6%), tearing (43.9%) and weakening of vision (43.5%). The prevalence of Computer Vision Syndrome was 54.6%. Associations verified were: being female (OR 2.6, 95% CI 1.6 to 4.1), lack of recognition at work (OR 1.4, 95% CI 1.1 to 1.8), organization of work in call center (OR 1.4, 95% CI 1.1 to 1.7) and high demand at work (OR 1.1, 95% CI 1.0 to 1.3). The organization and psychosocial factors at work should be included in prevention programs of visual syndrome among call centers' operators.