Tracking and modeling focus of attention in meetings

Abstract This thesis addresses the problem of tracking the focus of attention of people. In particular, a system to track the focus of attention of participants in meetings is developed. Obtaining knowledge about a person's focus of attention is an important step towards a better understanding of what people do, how and with what or whom they interact or to what they refer. In meetings, focus of attention can be used to disambiguate the addressees of speech acts, to analyze interaction and for indexing of meeting transcripts. Tracking a user's focus of attention also greatly contributes to the improvement of human­computer interfaces since it can be used to build interfaces and environments that become aware of what the user is paying attention to or with what or whom he is interacting. The direction in which people look; i.e., their gaze, is closely related to their focus of attention. In this thesis, we estimate a subject's focus of attention based on his or her head orientation. While the direction in which someone looks is determined by head orientation and eye gaze, relevant literature suggests that head orientation alone is a su#cient cue for the detection of someone's direction of attention during social interaction. We present experimental results from a user study and from several recorded meetings that support this hypothesis. We have developed a Bayesian approach to model at whom or what someone is look­ ing based on his or her head orientation. To estimate head orientations in meetings, the participants' faces are automatically tracked in the view of a panoramic camera and neural networks are used to estimate their head orientations from pre­processed images of their faces. Using this approach, the focus of attention target of subjects could be correctly identified during 73% of the time in a number of evaluation meet­ ings with four participants. In addition, we have investigated whether a person's focus of attention can be pre­dicted from other cues. Our results show that focus of attention is correlated to who is speaking in a meeting and that it is possible to predict a person's focus of attention based on the information of who is talking or was talking before a given moment. We have trained neural networks to predict at whom a person is looking, based on information about who was speaking. Using this approach we were able to predict who is looking at whom with 63% accuracy on the evaluation meetings using only information about who was speaking. We show that by using both head orientation and speaker information to estimate a person's focus, the accuracy of focus detection can be improved compared to just using one of the modalities for focus estimation. To demonstrate the generality of our approach, we have built a prototype system to demonstrate focus­aware interaction with a household robot and other smart appliances in a room using the developed components for focus of attention tracking. In the demonstration environment, a subject could interact with a simulated household robot, a speech­enabled VCR or with other people in the room, and the recipient of the subject's speech was disambiguated based on the user's direction of attention. Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit beschaftigt sich mit der automatischen Bestimmung und Ver­folgung des Aufmerksamkeitsfokus von Personen in Besprechungen. Die Bestimmung des Aufmerksamkeitsfokus von Personen ist zum Verstandnis und zur automatischen Auswertung von Besprechungsprotokollen sehr wichtig. So kann damit beispielsweise herausgefunden werden, wer zu einem bestimmten Zeitpunkt wen angesprochen hat beziehungsweise wer wem zugehort hat. Die automatische Bestim­mung des Aufmerksamkeitsfokus kann desweiteren zur Verbesserung von Mensch-Maschine­Schnittstellen benutzt werden. Ein wichtiger Hinweis auf die Richtung, in welche eine Person ihre Aufmerksamkeit richtet, ist die Kopfstellung der Person. Daher wurde ein Verfahren zur Bestimmung der Kopfstellungen von Personen entwickelt. Hierzu wurden kunstliche neuronale Netze benutzt, welche als Eingaben vorverarbeitete Bilder des Kopfes einer Person erhalten, und als Ausgabe eine Schatzung der Kopfstellung berechnen. Mit den trainierten Netzen wurde auf Bilddaten neuer Personen, also Personen, deren Bilder nicht in der Trainingsmenge enthalten waren, ein mittlerer Fehler von neun bis zehn Grad fur die Bestimmung der horizontalen und vertikalen Kopfstellung erreicht. Desweiteren wird ein probabilistischer Ansatz zur Bestimmung von Aufmerksamkeits­zielen vorgestellt. Es wird hierbei ein Bayes'scher Ansatzes verwendet um die A­posterior iWahrscheinlichkeiten verschiedener Aufmerksamkteitsziele, gegeben beobachteter Kopfstellungen einer Person, zu bestimmen. Die entwickelten Ansatze wurden auf mehren Besprechungen mit vier bis funf Teilnehmern evaluiert. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist die Untersuchung, inwieweit sich die Blickrich­tung der Besprechungsteilnehmer basierend darauf, wer gerade spricht, vorhersagen last. Es wurde ein Verfahren entwickelt um mit Hilfe von neuronalen Netzen den Fokus einer Person basierend auf einer kurzen Historie der Sprecherkonstellationen zu schatzen. Wir zeigen, dass durch Kombination der bildbasierten und der sprecherbasierten Schatzung des Aufmerksamkeitsfokus eine deutliche verbesserte Schatzung erreicht werden kann. Insgesamt wurde mit dieser Arbeit erstmals ein System vorgestellt um automatisch die Aufmerksamkeit von Personen in einem Besprechungsraum zu verfolgen. Die entwickelten Ansatze und Methoden konnen auch zur Bestimmung der Aufmerk­samkeit von Personen in anderen Bereichen, insbesondere zur Steuerung von comput­erisierten, interaktiven Umgebungen, verwendet werden. Dies wird an einer Beispielapplikation gezeigt.