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1、人体行为识别概述人体行为识别概述第1页，本讲稿共34页行为识别现状行为识别现状nVSAM(Visual Surveillance and Monitoring)1997nIVPL实验室实验室(The Image and Video Processing Laboratory)nAIRVL实验室实验室(Artificial Intelligence，Robotics，and Vision Laboratory)nLPAC实验室实验室(Laboratory for Perception，Action and Cognition)nKNIGHT系统系统nISCAPs(Integrated Surve
2、illance of Crowded Areas for Public Security)nREASON(Robust Methods for Monitoring and Understanding People in Public spaces)nCANTATA(Content Aware Networked systems Towards Advanced and TailoredAssistance)n中国科学院自动化所的生物识别与安全技术研究中心中国科学院自动化所的生物识别与安全技术研究中心CBSRn微软亚洲研究院微软亚洲研究院参考文献：监控视频中的人体异常行为检测研究2第2页，本讲
3、稿共34页行为识别前景行为识别前景nhigh-level video indexing and retrievaln“smart”video surveillance systems 自动检测异常行为，辅助检索一个特定的事件。自动检测异常行为，辅助检索一个特定的事件。nThe analysis of sport videos 帮助教练进行战略分析。识别不同的游泳风格。帮助教练进行战略分析。识别不同的游泳风格。nHand gesture recognition 虚拟现实虚拟现实nHuman-Computer Interaction(HCI)systems kidsRoom、Smart room、
4、Facial action用于分析精神病病人的情感行为。用于分析精神病病人的情感行为。nroboticsnmedical area 辅助诊断病人的运动问题。另一个是对老年人提供远程协助。辅助诊断病人的运动问题。另一个是对老年人提供远程协助。参考文献：Action Recognition in Videos:from Motion Capture Labs to the Web3第3页，本讲稿共34页行为识别的流程行为识别的流程参考文献：运动人体行为分析 视频中的人体运动分析及其应用研究 n目标的运动特征，可以用于运动表述，是行为理解等高层部分的基础。目标的运动特征，可以用于运动表述，是行为理解
5、等高层部分的基础。n常见的运动表述方法有：常见的运动表述方法有：运动轨迹、时空图表述运动轨迹、时空图表述和光流。和光流。4第4页，本讲稿共34页行为识别的流程行为识别的流程。5第5页，本讲稿共34页目录目录目标检测目标检测目标分类目标分类特征提取特征提取行为理解行为理解目标跟踪目标跟踪6第6页，本讲稿共34页运动目标检测运动目标检测参考文献：视频中的人体运动分析及其应用研究.nh 运动目标跟踪算法研究综述.pdfn对于不依赖先验知识的目标跟踪来讲，运动检测是实现跟踪的第一步对于不依赖先验知识的目标跟踪来讲，运动检测是实现跟踪的第一步n运动检测即为从序列图像中将变化区域从背景图像中提取出来。运动
6、检测即为从序列图像中将变化区域从背景图像中提取出来。7第7页，本讲稿共34页目标检测目标检测时间差分法时间差分法n在连续的图像序列中在连续的图像序列中两幅或三幅相邻帧两幅或三幅相邻帧之间采用之间采用基于像素基于像素的时间差分，的时间差分，并对差分结果进行并对差分结果进行阈值化处理阈值化处理以以提取提取图像中的图像中的前景前景运动区域。运动区域。n缺点：缺点：n前景、背景区域的确定与前景、背景区域的确定与阈值的选取阈值的选取有很大的关系有很大的关系 当灰度图像序列对比度较低时，由于相邻两帧的差当灰度图像序列对比度较低时，由于相邻两帧的差(前景与背景之差前景与背景之差)的范围很小，的范围很小，阈值
7、难以选取阈值难以选取，影响前景目标的分割结果。，影响前景目标的分割结果。n区域区域灰度值灰度值变化较为变化较为平坦时平坦时，容易在人体二值图像内产生，容易在人体二值图像内产生空洞现象空洞现象，给后续的目标分类、跟踪和识别造成不便。给后续的目标分类、跟踪和识别造成不便。n优点：优点：n对于对于动态环境动态环境有有较强较强的自的自适应性适应性8第8页，本讲稿共34页目标检测目标检测光流法光流法n基于光流法的运动检测，是利用运动物体随时间变化在图像中表现的基于光流法的运动检测，是利用运动物体随时间变化在图像中表现的光流特性，通过计算位移向量光流场来提取运动目标。光流特性，通过计算位移向量光流场来提取
8、运动目标。n光流是空间运动物体在观测成像面上对应像素运动的瞬时速度，是空光流是空间运动物体在观测成像面上对应像素运动的瞬时速度，是空间物体可见点的三维速度矢量在成像平面上的投影，它携带了丰富的间物体可见点的三维速度矢量在成像平面上的投影，它携带了丰富的运动和结构信息。运动和结构信息。n优点优点：n即使在摄像机运动的情况下也能检测出独立的运动目标。即使在摄像机运动的情况下也能检测出独立的运动目标。n缺点缺点：n由于噪声、多光源、阴影和遮挡等原因，计算出的光流场分布并不十由于噪声、多光源、阴影和遮挡等原因，计算出的光流场分布并不十分可靠和准确。分可靠和准确。n多数光流法计算复杂、耗时，在实际的系统
9、中没有特殊的硬件支持时，多数光流法计算复杂、耗时，在实际的系统中没有特殊的硬件支持时，很难实现实时检测。很难实现实时检测。9第9页，本讲稿共34页目标检测目标检测背景减除法背景减除法n最常用且有效的是背景减除法。最常用且有效的是背景减除法。n背景减除法最简单的实现方法是预先选取不含前景运动目标的背景图背景减除法最简单的实现方法是预先选取不含前景运动目标的背景图像，然后将当前图像帧与背景图像相减得到前景目标。像，然后将当前图像帧与背景图像相减得到前景目标。n背景减除法通常在背景减除法通常在摄像机固定的情况下使用摄像机固定的情况下使用，关键关键是建立随场景变化是建立随场景变化不断更新的背景模型不断
10、更新的背景模型。n有有两类两类常用的背景更新方法常用的背景更新方法:n1、建立背景模型并采用自适应方法对模型参数进行调整，从而获得、建立背景模型并采用自适应方法对模型参数进行调整，从而获得新背景图像新背景图像;n2、从过去的一组观测图像中按一定的假设选择像素值构成当前背景、从过去的一组观测图像中按一定的假设选择像素值构成当前背景图像。图像。10第10页，本讲稿共34页目标分类目标分类参考文献：视频中的人体运动分析及其应用研究11第11页，本讲稿共34页人体描述人体描述参考文献：Human Motion:Modeling and Recognition of Actions and Intera
11、ctions 12第12页，本讲稿共34页运动跟踪运动跟踪参考文献：运动目标跟踪算法研究综述n运动目标的跟踪，即通过目标的有效表达，在图像序列中寻找与目标模板最运动目标的跟踪，即通过目标的有效表达，在图像序列中寻找与目标模板最相似候选目标区位置的过程。相似候选目标区位置的过程。n就是在序列图像中为就是在序列图像中为目标定位目标定位。n范例范例13第13页，本讲稿共34页四种跟踪方法的比较四种跟踪方法的比较。14第14页，本讲稿共34页运动目标的特征运动目标的特征参考文献：自动目标识别与跟踪技术研究综述15第15页，本讲稿共34页运动表征运动表征。16第16页，本讲稿共34页行为识别行为识别n人
12、的行为理解与描述是指对人的运动模式进行分析和识别人的行为理解与描述是指对人的运动模式进行分析和识别,并用自然语并用自然语言等加以描述言等加以描述.n可以简单地认为是时变数据的分类问题，即将测试序列与预先标定的代可以简单地认为是时变数据的分类问题，即将测试序列与预先标定的代表典型行为的参考序列进行匹配表典型行为的参考序列进行匹配.n行为理解的行为理解的关键问题关键问题是如何从学习样本中是如何从学习样本中获取参考行为序列获取参考行为序列,并且学习并且学习和匹配的行为序列能够处理在相似的运动模式类别中空间和时间尺度上和匹配的行为序列能够处理在相似的运动模式类别中空间和时间尺度上轻微的特征变化轻微的特
13、征变化.17第17页，本讲稿共34页行为识别方法行为识别方法18第18页，本讲稿共34页基于模板匹配的方法基于模板匹配的方法n首先将图像序列转换成一组静态形状模式首先将图像序列转换成一组静态形状模式n然后在识别过程中用输入图像序列提取的特征然后在识别过程中用输入图像序列提取的特征与在训练阶段预先存储的动作行为模板进行与在训练阶段预先存储的动作行为模板进行相相似度比较似度比较，在比较数据可以有轻微变化下识别，在比较数据可以有轻微变化下识别人体行为。人体行为。M H V(Motion History Volumes)19第19页，本讲稿共34页基于模板匹配的方法之基于模板匹配的方法之DTWnDTW
14、（dynamic time warping）动态时间规整动态时间规整nDTW是一种时变数据序列匹配方法是一种时变数据序列匹配方法nDTW 优点：概念简单、算法鲁棒，能够对图像序列进行分类。优点：概念简单、算法鲁棒，能够对图像序列进行分类。nDTW缺点：算法计算量较大，缺乏考虑相邻时序之间的动态特性，而缺点：算法计算量较大，缺乏考虑相邻时序之间的动态特性，而在实际中，运动序列中相邻序列在时间和空间上有高度的相关性。在实际中，运动序列中相邻序列在时间和空间上有高度的相关性。20第20页，本讲稿共34页基于状态空间的方法基于状态空间的方法n将图像序列中的每个将图像序列中的每个静态姿势或运动状态作为一
15、个状态节点静态姿势或运动状态作为一个状态节点，这些状，这些状态节点之间由给定的概率联系起来。态节点之间由给定的概率联系起来。n任何的任何的动作序列动作序列可以认为是这些静态动作在不同状态节点中的可以认为是这些静态动作在不同状态节点中的一次遍一次遍历过程历过程，计算这个遍历过程的联合概率，计算这个遍历过程的联合概率，取其最大值取其最大值作为分类标准。作为分类标准。n基于状态空间的方法已经被广泛应用于基于状态空间的方法已经被广泛应用于预测、估计和检测预测、估计和检测时间序列。时间序列。21第21页，本讲稿共34页基于状态空间的方法基于状态空间的方法HMM隐马尔可夫模型的基本结构隐马尔可夫模型的基本
16、结构22第22页，本讲稿共34页基于状态空间的方法基于状态空间的方法DBNsn动态贝叶斯网络动态贝叶斯网络(dynamic Bayesian networks，DBNs)由于由于HMMs不能有效处理三个或三个以上独立的过程，作为不能有效处理三个或三个以上独立的过程，作为HMMs的的推广方法。推广方法。n是一种对随机过程描述的有向图解是一种对随机过程描述的有向图解n利用先验知识建立视觉特征之间的因果关系来处理视频处理中固有的利用先验知识建立视觉特征之间的因果关系来处理视频处理中固有的不确定性问题。不确定性问题。n优点：优点：n可以任意改变拓扑结果或增删变量以反映变量间各种不同的关联关系，可以任意
17、改变拓扑结果或增删变量以反映变量间各种不同的关联关系，而不影响训练算法本身，因此具有而不影响训练算法本身，因此具有良好的可解释性良好的可解释性，其拓扑结构具有，其拓扑结构具有精确及易于理解的概率语义精确及易于理解的概率语义。n相比马尔可夫链，贝叶斯网络训练比较复杂。相比马尔可夫链，贝叶斯网络训练比较复杂。23第23页，本讲稿共34页基于状态空间的方法基于状态空间的方法ANNn人工神经网络是由人工建立的以有向图为拓扑结构的动态系统，它通人工神经网络是由人工建立的以有向图为拓扑结构的动态系统，它通过对连续或断续的输入作状态响应而进行信息处理，在分析时变数据过对连续或断续的输入作状态响应而进行信息处
18、理，在分析时变数据时具有很大的优势。时具有很大的优势。n缺点：需要用大量的数据来训练网络缺点：需要用大量的数据来训练网络n TDNN(time-delay neural network)时延神经网络时延神经网络n是在多层前馈感知器神经网络模型中引入时延单元使得神经网络增加是在多层前馈感知器神经网络模型中引入时延单元使得神经网络增加记忆功能；记忆功能；n时变序列的前述值被用来预测下一个值。由于大量数据集成为可能，时变序列的前述值被用来预测下一个值。由于大量数据集成为可能，时延神经网络的重点就可以放在时分信息的表达时延神经网络的重点就可以放在时分信息的表达n这样由此导出的神经网络模型适合应用于处理
19、序列数据。这样由此导出的神经网络模型适合应用于处理序列数据。24第24页，本讲稿共34页基于状态空间的方法基于状态空间的方法SVMn支持向量机支持向量机(support vector machine，SVM)n优点：优点：n能够较好地解决常见的非线性分类问题中的小样本、非线性、高维数能够较好地解决常见的非线性分类问题中的小样本、非线性、高维数和局部极小点等实际问题和局部极小点等实际问题n可以避免神经网络结构选择和局部极小点问题可以避免神经网络结构选择和局部极小点问题25第25页，本讲稿共34页两种方法比较两种方法比较n模板匹配方法的优点是计算复杂度低、操作和实现简单，但缺乏考虑模板匹配方法的优
20、点是计算复杂度低、操作和实现简单，但缺乏考虑运动序列中相邻时序之间的动态特性，对于噪声和运动时间间隔的变运动序列中相邻时序之间的动态特性，对于噪声和运动时间间隔的变化相当敏感。化相当敏感。n状态空间方法虽然能克服模板匹配的缺点，但通常涉及到复杂的迭代状态空间方法虽然能克服模板匹配的缺点，但通常涉及到复杂的迭代运算，算法的步骤较为复杂，难以应用到实际工作中。运算，算法的步骤较为复杂，难以应用到实际工作中。26第26页，本讲稿共34页基于语义的描述方法基于语义的描述方法n用一种形式化的语法格式：主语（人）、谓语（人的动作）、宾语用一种形式化的语法格式：主语（人）、谓语（人的动作）、宾语（实物），将
21、场景中人的活动情况用填空的形式填入语法格式中，产（实物），将场景中人的活动情况用填空的形式填入语法格式中，产生对场景的自然语言描述。生对场景的自然语言描述。n基于语义描述的方法是对在一段持续时间内场景内容的分析过程基于语义描述的方法是对在一段持续时间内场景内容的分析过程n目前还处于对场景中人体行为的简单语义解释目前还处于对场景中人体行为的简单语义解释n对复杂场景中人体复杂行为有效的充分的语义描述还有相当艰巨的工对复杂场景中人体复杂行为有效的充分的语义描述还有相当艰巨的工作要做作要做27第27页，本讲稿共34页行为的分层模型行为的分层模型n常用的概念常用的概念npose、actions、acti
22、vitiesnaction/motor primitivesnHuman action recognitionnMotion analysisnAction detectionnAutomatic Target RecognitionnBehavior understandingnvisual analysis28第28页，本讲稿共34页行为识别难点行为识别难点n运动分割（运动分割（Motion Segmentation）n人体建模人体建模n遮挡问题遮挡问题n多摄像机的使用多摄像机的使用n运动特征选择与表达运动特征选择与表达n行为识别行为识别n高层行为与场景理解高层行为与场景理解n性能评估性能
23、评估29第29页，本讲稿共34页行为识别的热点行为识别的热点n音频与视觉相结合的多模态接口音频与视觉相结合的多模态接口n行为理解与生物特征识别相结合行为理解与生物特征识别相结合n人的运动分析向行为理解与描述高层处理的转变人的运动分析向行为理解与描述高层处理的转变30第30页，本讲稿共34页常用数据库常用数据库nKTH human motion datasetnWeizmann human action datasetnINRIA XMAS multi-view datasetnUCF sports action datasetnHollywood human action datasetnCA
24、SIA31第31页，本讲稿共34页顶级会议顶级会议nICCV(IEEE International Conference On Computer Vision)nICPR(IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition)nECCV(European Conference on Computer Vision)nIJCV(International 30umal of Computer Vision)nPAMI(IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachinenIntellig
25、ence)nIEEE International Workshop Performance Evaluation of Tracking and Surveillance每年还提供每年还提供PETS数据库用来评估智能监数据库用来评估智能监控系统的性能。控系统的性能。n智能视觉监控学术会议智能视觉监控学术会议n模式识别会议等模式识别会议等参考文献：监控视频中的人体异常行为检测研究32第32页，本讲稿共34页参考文献参考文献nA survey of advances in vision-based human motion capture and analysisnA survey on vision-based human action recognitionnAction Recognition in Videos from Motion Capture Labs to the Webn监控视频中的人体异常行为检测研究监控视频中的人体异常行为检测研究n视频中的人体运动分析及其应用研究视频中的人体运动分析及其应用研究n自动目标识别与跟踪技术研究综述自动目标识别与跟踪技术研究综述n运动目标跟踪算法研究综述运动目标跟踪算法研究综述33第33页，本讲稿共34页谢谢谢谢机器视觉团队：欧阳寒机器视觉团队：欧阳寒34第34页，本讲稿共34页