Apprentissage neuronal de caractéristiques spatio-temporelles pour la classification automatique de séquences vidéo

Neural learning of spatio-temporal features for automatic video sequence classification

• Auteur / Autrice : Moez Baccouche
• Direction : Atilla Baskurt, Christian Wolf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 17/07/2013
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon (2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIRIS - Laboratoire d'Informatique en Image et Systèmes d'information (Rhône ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Pellerin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Atilla Baskurt, Christian Wolf, Denis Pellerin, Bernadette Dorizzi, Jean-Marc Odobez, Christophe Garcia, Nicolas Thome, Franck Mamalet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernadette Dorizzi, Jean-Marc Odobez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Informatique

Intelligence artificielle

Apprentissage neuronal

Classification automatique

Séquences vidéo

Reconnaissance d'actions

Expression faciale

Actions de football

Information Technology

Artificial intelligence

Neural Learning

Automatic classification

Video sequences

Actions recognition

Face expression

Soccer action

Résumé

Cette thèse s'intéresse à la problématique de la classification automatique des séquences vidéo. L'idée est de se démarquer de la méthodologie dominante qui se base sur l'utilisation de caractéristiques conçues manuellement, et de proposer des modèles qui soient les plus génériques possibles et indépendants du domaine. Ceci est fait en automatisant la phase d'extraction des caractéristiques, qui sont dans notre cas générées par apprentissage à partir d'exemples, sans aucune connaissance a priori. Nous nous appuyons pour ce faire sur des travaux existants sur les modèles neuronaux pour la reconnaissance d'objets dans les images fixes, et nous étudions leur extension au cas de la vidéo. Plus concrètement, nous proposons deux modèles d'apprentissage des caractéristiques spatio-temporelles pour la classification vidéo : (i) Un modèle d'apprentissage supervisé profond, qui peut être vu comme une extension des modèles ConvNets au cas de la vidéo, et (ii) Un modèle d'apprentissage non supervisé, qui se base sur un schéma d'auto-encodage, et sur une représentation parcimonieuse sur-complète des données. Outre les originalités liées à chacune de ces deux approches, une contribution supplémentaire de cette thèse est une étude comparative entre plusieurs modèles de classification de séquences parmi les plus populaires de l'état de l'art. Cette étude a été réalisée en se basant sur des caractéristiques manuelles adaptées à la problématique de la reconnaissance d'actions dans les vidéos de football. Ceci a permis d'identifier le modèle de classification le plus performant (un réseau de neurone récurrent bidirectionnel à longue mémoire à court-terme -BLSTM-), et de justifier son utilisation pour le reste des expérimentations. Enfin, afin de valider la généricité des deux modèles proposés, ceux-ci ont été évalués sur deux problématiques différentes, à savoir la reconnaissance d'actions humaines (sur la base KTH), et la reconnaissance d'expressions faciales (sur la base GEMEP-FERA). L'étude des résultats a permis de valider les approches, et de montrer qu'elles obtiennent des performances parmi les meilleures de l'état de l'art (avec 95,83% de bonne reconnaissance pour la base KTH, et 87,57% pour la base GEMEP-FERA).

This thesis focuses on the issue of automatic classification of video sequences. We aim, through this work, at standing out from the dominant methodology, which relies on so-called hand-crafted features, by proposing generic and problem-independent models. This can be done by automating the feature extraction process, which is performed in our case through a learning scheme from training examples, without any prior knowledge. To do so, we rely on existing neural-based methods, which are dedicated to object recognition in still images, and investigate their extension to the video case. More concretely, we introduce two learning-based models to extract spatio-temporal features for video classification: (i) A deep learning model, which is trained in a supervised way, and which can be considered as an extension of the popular ConvNets model to the video case, and (ii) An unsupervised learning model that relies on an auto-encoder scheme, and a sparse over-complete representation. Moreover, an additional contribution of this work lies in a comparative study between several sequence classification models. This study was performed using hand-crafted features especially designed to be optimal for the soccer action recognition problem. Obtained results have permitted to select the best classifier (a bidirectional long short-term memory recurrent neural network -BLSTM-) to be used for all experiments. In order to validate the genericity of the two proposed models, experiments were carried out on two different problems, namely human action recognition (using the KTH dataset) and facial expression recognition (using the GEMEP-FERA dataset). Obtained results show that our approaches achieve outstanding performances, among the best of the related works (with a recognition rate of 95,83% for the KTH dataset, and 87,57% for the GEMEP-FERA dataset).