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.

An approach to vision-based station keeping for an unmanned underwater vehicle

This paper presents an automatic vision-based system for UUV station keeping. The vehicle is equipped with a down-looking camera, which provides images of the sea-floor. The station keeping system is based on a feature-based motion detection algorithm, which exploits standard correlation and explicit textural analysis to solve the correspondence problem. A visual map of the area surveyed by the vehicle is constructed to increase the flexibility of the system, allowing the vehicle to position itself when it has lost the reference image. The testing platform is the URIS underwater vehicle. Experimental results demonstrating the behavior of the system on a real environment are presented

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

Human-Computer Interaction with older people through ethnographical lenses: everyday interactions with ICT

Report for the scientific sojourn carried out at the School of Computing of the University of Dundee, United Kingdom, from 2010 to 2012. This document is a scientific report of the work done, main results, publications and accomplishment of the objectives of the 2-year post-doctoral research project with reference number BP-A 00239. The project has addressed the topic of older people (60+) and Information and Communication Technologies (ICT), which is a topic of growing social and research interest, from a Human-Computer Interaction perspective. Over a 2-year period (June 2010-June 2012), we have conducted classical ethnography of ICT use in a computer clubhouse in Scotland, addressing interaction barriers and strategies, social sharing practices in Social Network Sites, and ICT learning, and carried out rapid ethnographical studies related to geo-enabled ICT and e-government services towards supporting independent living and active ageing. The main results have provided a much deeper understanding of (i) the everyday use of Computer-Mediated Communication tools, such as video-chats and blogs, and its evolution as older people’s experience with ICT increases over time, (ii) cross-cultural aspects of ICT use in the north and south of Europe, (iii) the relevance of cognition over vision in interacting with geographical information and a wide range of ICT tools, despite common stereotypes (e.g. make things bigger), (iv) the important relationship offline-online to provide older people with socially inclusive and meaningful eservices for independent living and active ageing, (v) how older people carry out social sharing practices in the popular YouTube, (vi) their user experiences and (vii) the challenges they face in ICT learning and the strategies they use to become successful ICT learners over time. The research conducted in this project has been published in 17 papers, 4 in journals – two of which in JCR, 5 in conferences, 4 in workshops and 4 in magazines. Other public output consists of 10 invited talks and seminars.

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.

Evaluation Of A Novel Method Of Real Time Computer Assisted Spine Surgery

In this paper the effectiveness of a novel method of computer assisted pedicle screw insertion was studied using testing of hypothesis procedure with a sample size of 48. Pattern recognition based on geometric features of markers on the drill has been performed on real time optical video obtained from orthogonally placed CCD cameras. The study reveals the exactness of the calculated position of the drill using navigation based on CT image of the vertebra and real time optical video of the drill. The significance value is 0.424 at 95% confidence level which indicates good precision with a standard mean error of only 0.00724. The virtual vision method is less hazardous to both patient and the surgeon

An approach to vision-based station keeping for an unmanned underwater vehicle

This paper presents an automatic vision-based system for UUV station keeping. The vehicle is equipped with a down-looking camera, which provides images of the sea-floor. The station keeping system is based on a feature-based motion detection algorithm, which exploits standard correlation and explicit textural analysis to solve the correspondence problem. A visual map of the area surveyed by the vehicle is constructed to increase the flexibility of the system, allowing the vehicle to position itself when it has lost the reference image. The testing platform is the URIS underwater vehicle. Experimental results demonstrating the behavior of the system on a real environment are presented

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.

Advances in Model-Based Traffic Vision

Model based vision allows use of prior knowledge of the shape and appearance of specific objects to be used in the interpretation of a visual scene; it provides a powerful and natural way to enforce the view consistency constraint. A model based vision system has been developed within ESPRIT VIEWS: P2152 which is able to classify and track moving objects (cars and other vehicles) in complex, cluttered traffic scenes. The fundamental basis of the method has been previously reported. This paper presents recent developments which have extended the scope of the system to include (i) multiple cameras, (ii) variable camera geometry, and (iii) articulated objects. All three enhancements have easily been accommodated within the original model-based approach

An Integrated Traffic and Pedestrian Model_based Vision System

The paper describes a novel integrated vision system in which two autonomous visual modules are combined to interpret a dynamic scene. The first module employs a 3D model-based scheme to track rigid objects such as vehicles. The second module uses a 2D deformable model to track non-rigid objects such as people. The principal contribution is a novel method for handling occlusion between objects within the context of this hybrid tracking system. The practical aim of the work is to derive a scene description that is sufficiently rich to be used in a range of surveillance tasks. The paper describes each of the modules in outline before detailing the method of integration and the handling of occlusion in particular. Experimental results are presented to illustrate the performance of the system in a dynamic outdoor scene involving cars and people.