论文笔记：Chaotic Invariants of Lagrangian Particle Trajectories for Anomaly Detection in Crowded Scenes

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最近在关注 crowd scene方面的东西，因为某些原因需要在crowd scene上实现 anomaly detection，所以看到了这篇论文，该论文是目前在crowd scene中进行abnormal detection做的最好的，记录下笔记当做学习资料。

传统的 anomaly detection中，很多突发事件监测都是基于motion information的，这样就忽略了由于appreance导致但是又没有造成 motion abnormal的情况下的漏监测。 比如卡车超重在桥上行走

传统的光流法，像素变化直方图，或者是背景差分法都很难应用于 crowd scenes ，因为此时的背景是 dynamic的。

也有将 motion 和 appreance 结合在一起进行abnormal detection的

在crowd scene中，很多一般的abnormal even detection方法都不能取得很好的效果，因为crowd scene的背景是经常剧烈变化的，传统的方法不能充分检测到这种变化。

关于Anomaly detection的，关注得不多，目前看到的方法有以下几种：

• Social force model
• Optical flow

social force model 主流的Optical flow方法有点不同，它主要是考虑crowd scene中的Froce，因此就没有Optical flow中的遮挡问题

该论文提出的方法也是基于 Optical flow的，能够适用于 coherent and incoherent scene，创新点如下：

• 利用粒子轨迹对crowd scene进行建模，并提出具有代表性的trajectories 来对复杂的crowd flows进行建模
• 在 crowd context 中引入 chaotic dynamics(混沌动力学)，并通过调节一系列的 chaotic invariant feature来抽取 复杂的crowd motions 信息，这可以用来进行 anomaly detection
• 提出一个概率框架来进行anomaly detection and localization

Significance of Crowd Scene Analysis

• 管理大量人群在有限空间的聚集事件
• 突发事件检测、定位以及警告
• 集群监督，公共场所监控，安全控制等等

如下图，是不同密集层度的集群

challenge

• 检测的人群目标密度非常大
• 有多种运动目标的密集层度，如上图
• 传统方法
  
  • 是适合在稀疏空间
  • 会受到严重遮挡，检测目标小，目标appreance类似的问题

另外，在crowd scene中，很多一般的abnormal even detection方法都不能取得很好的效果，因为crowd scene的背景是经常剧烈变化的，传统的方法不能充分检测到这种变化

论文的Idea

拉格朗日质点动力学 + 混沌不变量

• 框架如下：

论文创新点

• 目前唯一利用粒子轨迹聚类来对crowsed scene 进行建模
• 在 crowd context中引入混沌不变量
• 能够处理连贯和不连贯的人流

Particle Advection

其中，T 是视频帧，W 是视频帧的宽度， H 是视频帧的高度

Cluster Particle Trajectories

• 原则：几条轨迹流可能只是有一个单一的运动目标产生
• 方法：聚类
  
  • step1 ： 去除那些相对运动量比较少的点或轨迹，因为它们包含的运动信息比较少
  • step2 ： 根据轨迹流的位置信息进行K-means聚类
• 输出：聚类后的代表性轨迹流

在step1中去除点或轨迹的标准是轨迹流的方差，设定阈值 ϵ, 去除那些方差比ϵ小的轨迹流

var{(Xtw,Yth)}<ϵ

轨迹流聚类后如下：

这些聚类后的轨迹流就是 representative trajectories。实验结果证明，突发事件检测基本上对cluster number不敏感

Chaotic Invariants

• Representation of scenes: Representative trajectories
• To identify the scene’s dynamics in terms of the dynamics of representative trajectories: lChaotic dynamics by measurable chaotic invariants

论文中说到，运用上面提取的 representative trajectories 可以创建一个基于 Chaotic Invariants 的模型，该模型能够 handle both coherent and incoherent scenes and offer a description using only two features

也就是两个Chaotic Invariants：largest Lyapunov exponent :L 和 correlation dimension：D。

此外，为了进行 anomaly detection，还增加了feature M，代表的是轨迹流 x 和 y 的平均坐标 M

对于 Chaotic Invariants，我个人不是很懂，理解得不太好。如果有懂得人还望不吝赐教。

Feature Set

由上面可知，本模型得到的特征集如下： F={L,D,M}

• L: Largest Lyapunov exponent
• D: Correlation dimension
• M: Mean of representative trajectories (Only necessary for position-caused anomalies)

则求解 L 和 D 的过程如下：

求解过程还是挺好懂的，就是先找一条轨迹流的最邻近的轨迹流组成轨迹流pairs，然后进行求解L 和 D

Advantages of the Algorithm

• Proven to be insensitive to the changes in time delay, embedding dimension, size of data set and to some extent noise
• Ensure L>0 for condition of chaotic analysis

计算chaotic feature 时需要的特征比较多，因此本文在轨迹中插入一些点来达到每个事件序列都有500个点

Anomaly Detection

Definition of anomaly: Spatiotemporal change of scene/system dynamics (chaotic or/and positions)

• Global anomaly: entire change of dynamics
• Local anomaly: dynamics changes near particular spatial points
• Approach: Probabilistic model

具体方法如下：
首先运用GMM算法描述正常场景的概率密度函数：

P(Γ|Φ)=∑k=1KwkN(Γ;uk,Σk)

其中：
Γ denotes a four (or six if M features are included) dimensional set of random variables with two features for each time series in x and y
K : 高斯元的个数
u : 均值
Σ : 方差
Φ : 模型参数

Model Learning

Normality model: Multi-variate GMM

• Learning by: EM + IPRA algorithm
• Principle for judging a query as normal or abnormal: Probability of the query belonging to the normality model + ML criterion

也就是，当我们用一些正常的视频序列 S 来训练模型P(Γ|Φ)=∑Kk=1wkN(Γ;uk,Σk)，模型的输入每一个 representative trajectories，学习得到模型参数 Φm 后，就可以将测试视频流输入模型，对所有的representative trajectories输出的概率求平均值，根据最大似然准则(ML)将平均值与阈值 Lthres 比较判断测试视频是属于normal还是abnormal。

Anomaly Localization

1.计算每个representative trajectory 对于模型的输出概率
2.定位那些比阈值Lthres小的representative trajectory
3.根据位置信息对它们进行聚类得到多个cluster
4.去除那些包含少量trajectories的cluster
5.剩下的那些cluster就是主要的abnormal region

Experiment Results

举个栗子，下面两个图中，人工标记黄色框汇总有人站起来跳舞，其他人在鼓掌，跳舞的人就属于 abnormal 的。（其实只给一帧的图片我看不太出）

这是实验结果，中间的图是检测到的所有的abnormal region，右边是去除那些包含少量trajectories 的cluster后的情况，基本可以定位成功

关于 GMM和EM算法的资料：

http://blog.csdn.net/u012176591/article/details/46051431
K-means聚类和EM思想
http://www.cnblogs.com/jerrylead/archive/2011/04/06/2006910.html
（EM算法）The EM Algorithm ：
http://www.cnblogs.com/jerrylead/archive/2011/04/06/2006936.html
高斯混合模型（GMM） ：
http://www.cnblogs.com/mindpuzzle/archive/2013/04/24/3036447.html
EM及高斯混合模型:
http://www.cnblogs.com/zhangchaoyang/articles/2624882.html