Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La détection d'anomalies vidéo (DAV) est une tâche cruciale de vision par ordinateur pour diverses applications du monde réel telles que la vidéosurveillance, le contrôle qualité, etc. Avec la rareté des données d'anomalies étiquetées et la nature ouverte des définitions d'anomalies, il y a eu une croissance d'intérêt des chercheurs pour l'exploration de méthodes semi-supervisées de détection d'anomalies vidéo. Ces méthodes utilisent une tâche proxy pour ajuster un modèle sur des échantillons normaux, en tenant compte de leurs caractéristiques d'apparence et de mouvement. Les anomalies sont par conséquent détectées en mesurant l'écart des échantillons de test par rapport au modèle normal formé. Cette thèse est dédiée à l'avancement de ce domaine, englobant quatre composantes distinctes. Dans la partie initiale, nous menons une étude approfondie sur les méthodes DAV semi-supervisées de pointe existantes afin d'examiner leurs points forts et leurs défis. Pour compléter notre examen, nous effectuons également des expériences pour mieux comprendre les capacités et les limites des approches existantes. Les résultats de cette étude servent de source de motivation et mettent en lumière l'orientation de notre recherche. Cette étude est publiée sous la forme d'un article de synthèse (MTAP2023). Lors de l'analyse des méthodes existantes, il devient évident qu'elles ne tiennent pas suffisamment compte de la classe des objets lorsqu'il s'agit de détecter des anomalies d'apparence. Inspirés par ce besoin, nous proposons, dans la deuxième partie, une méthode DAV basée sur l'apprentissage en profondeur et sensible aux classes d'objets. C'est une méthode à deux flux qui modélise et détecte les anomalies de mouvement et d'apparence dans différentes branches. Dans la branche apparence, nous introduisons une approche basée sur la distillation des connaissances qui utilise une méthode de segmentation sémantique pré-entraînée (Mask-RCNN) pour former un réseau étudiant dédié à la segmentation sémantique avec des objets normaux. Par conséquent, en mesurant l'écart entre les sorties des réseaux enseignant et étudiant, nous dérivons un score d'anomalie pour la branche d'apparence. La branche de mouvement, d'autre part, traduit une image brute en sa carte de magnitude de flux optique correspondante, pour modéliser les mouvements normaux et détecter les anomalies associées. L'approche de modélisation de mouvement proposée atténue le risque de généralisation aux anomalies, améliorant ainsi la fiabilité et la précision du processus de détection. Les résultats de cette étude ont été publiés sous forme d'article de conférence (CRV 2022). Dans la troisième partie, nous proposons une méthode de détection d'anomalies vidéo basée sur l'apprentissage multi-tâches visant à tirer parti des avantages de la combinaison de plusieurs tâches proxy complémentaires pour améliorer les performances de détection d'anomalies. Différentes tâches complémentaires sont proposées en tenant compte de leurs capacités et insuffisances à détecter différents cas d'anomalies. De plus, nous proposons une nouvelle tâche proxy de prédiction de carte de segmentation sémantique future pour la détection d'anomalies vidéo qui bénéficie des capacités de prédiction de trames futures et de tâches de segmentation sémantique pour la détection d'anomalies de mouvement et d'apparence. De plus, pour améliorer encore la détection des anomalies de mouvement, nous intégrons la tâche de prédiction de l'amplitude du flux optique à partir d'une trame brute dans une autre branche. Finalement, pour relever les défis rencontrés dans notre méthode précédente, nous proposons plusieurs mécanismes d'attention pour engager des informations contextuelles dans la modélisation de mouvement, conduisant à une amélioration des performances. Les résultats de cette étude ont été publiés sous forme d'article de conférence (CVPRW 2023). Dans la dernière partie, nous relevons un autre défi dans la modélisation du mouvement. Tant dans nos méthodes proposées que dans d'autres méthodes existantes, les modèles de mouvement à long terme n'ont pas été efficacement pris en compte pour la détection d'anomalies vidéo. Pour remédier à cette limitation, nous proposons une nouvelle tâche proxy pour la détection d'anomalies vidéo : la prédiction vidéo future à partir d'une seule image. Cette méthode prend en compte les modèles de mouvement à long terme en plus des modèles à court terme pour la détection d'anomalies vidéo et relève le défi de la généralisation aux mouvements anormaux. Cette étude donne des résultats significatifs. Les résultats démontrent que la formulation de DAV comme une prédiction d'images plus éloignées dans le futur (au lieu de l'image suivante immédiate) entraîne une plus grande disparité entre les normales et les anomalies et donc une amélioration des performances. Les résultats de cette étude sont acceptés sous forme d'article de conférence (ISVC 2023). Nos résultats qualitatifs et quantitatifs ainsi que des études d'ablation sur des ensembles de données de référence tels que les ensembles de données ShanghaiTech, UCSD-Ped1 et UCSD-Ped2 démontrent le succès de chaque contribution de notre thèse dans la réalisation de leurs objectifs respectifs. / Video anomaly detection (VAD) is a crucial computer vision task for various real-world applications such as video surveillance, quality control, etc. With the scarcity of labeled anomaly data and the open-ended nature of anomaly definitions, there has been a growing interest among researchers in exploring semi-supervised methods for video anomaly detection. These methods employ a proxy-task to fit a model on normal samples, taking into account their appearance and motion features. Anomalies are consequently detected by measuring the deviation of test samples from the trained normal model. This thesis is dedicated to advancing this field, encompassing four distinct components. In the initial part, we conduct an in-depth study on existing state-of-the-art semi-supervised VAD methods to examine their strong points and challenges. To supplement our review, we also conduct experiments to gain deeper insights into the capabilities and limitations of existing approaches. The outcomes of this study serve as a source of motivation and highlights the direction of our research. This study is published as a review paper (MTAP2023). Upon analyzing the existing methods, it becomes apparent that they do not adequately consider the object class when it comes to detecting appearance anomalies. Inspired by this need, we propose, in the second part, a two-stream object class-aware deep learning based VAD method that models and detects motion and appearance anomalies in different network branches. In the appearance branch, we introduce a knowledge-distillation-based approach that utilizes a pre-trained semantic segmentation method (Mask-RCNN) to train a student network dedicated to semantic segmentation with normal objects. Consequently, by measuring the disparity between the outputs of the teacher and student networks, we derive an anomaly score for the appearance branch. Motion branch, on the other hand, translates a raw frame to its corresponding optical flow magnitude map, to model normal motions and detect related anomalies. The proposed motion modeling approach, mitigates the risk of generalization to anomalies, thus enhancing the reliability and precision of the detection process. Results of this study is published as a conference paper (CRV 2022). In the third part, we put forth a multi-task learning based video anomaly detection method aimed at leveraging the benefits of combining multiple complementary proxy-tasks to enhance anomaly detection performance. Different complementary tasks are suggested taking into ac count their abilities and shortcomings in detecting different anomaly cases. Moreover, we propose a novel proxy-task of future semantic segmentation map prediction for video anomaly detection which benefits from the abilities of future frame prediction and semantic segmentation tasks for motion and appearance anomaly detection. Additionally, to further enhance the detection of motion anomalies, we incorporate the task of optical flow magnitude prediction from a raw frame in another branch. Finally, to address the challenges encountered in our previous method, we propose multiple attention mechanisms to engage context information in motion modeling, leading to performance improvement. Results of this study is published as a conference paper (CVPRW 2023). As the final part, we tackle another challenge in motion modeling. Both in our proposed methods and other existing methods, long-term motion patterns have not been effectively considered for video anomaly detection. To address this limitation, we put forward a novel proxy-task for video anomaly detection: future video prediction from a single frame. This method considers long-term motion patterns in addition to short-term ones for video anomaly detection and addresses the challenge of generalization to abnormal motion. This study yields significant findings. The results demonstrate that formulating VAD as a prediction of farther frames in the future (instead of the immediate next frame) results in a larger disparity between normals and anomalies and hence in improved performance. Results of this study is accepted as a conference paper (ISVC 2023). Our qualitative and quantitative results along with ablation studies on benchmark datasets such as ShanghaiTech, UCSD-Ped1 and UCSD-Ped2 datasets demonstrate the success of each contribution of our thesis in achieving their respective goals.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/132603 |
| Date | 25 January 2024 |
| Creators | Baradaran, Mohammad |
| Contributors | Bergevin, Robert |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xvi, 127 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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