Marc : modèles informatiques des émotions et de leurs expressions faciales pour l’interaction Homme-machine affective temps réel

Marc : computational models of emotions and their facial expressions for real-time affective human-computer interaction

• Auteur / Autrice : Matthieu Courgeon
• Direction : Jean-Claude Martin, Christian Jacquemin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 21/11/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Informatique de Paris-Sud
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique pour la mécanique et les sciences de l'ingénieur (Orsay, Essonne ; 1972-2020)
• Jury : Président / Présidente : Anne Vilnat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Martin, Christian Jacquemin, Anne Vilnat, Sylvie Pesty, Elisabeth André, Marc Cavazza, Gaspard Breton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Pesty, Elisabeth André

Mots clés

Mots clés contrôlés

Émotions

Temps réel (informatique)

Systèmes homme-machine

Mots clés libres

Interaction homme-machine

Agents virtuels expressifs

Animation faciale expressive temps-réel

Modèles informatiques des émotions

Interaction affective

Études perceptives

Human computer interaction

Expressive virtual agents

Expressive facial animation

Real-time computational models of emotions

Affective interaction

Perceptual studies

Résumé

Les émotions et leurs expressions par des agents virtuels sont deux enjeux importants pour les interfaces homme-machine affectives à venir. En effet, les évolutions récentes des travaux en psychologie des émotions, ainsi que la progression des techniques de l’informatique graphique, permettent aujourd’hui d’animer des personnages virtuels réalistes et capables d’exprimer leurs émotions via de nombreuses modalités. Si plusieurs systèmes d’agents virtuels existent, ils restent encore limités par la diversité des modèles d’émotions utilisés, par leur niveau de réalisme, et par leurs capacités d’interaction temps réel. Dans nos recherches, nous nous intéressons aux agents virtuels capables d’exprimer des émotions via leurs expressions faciales en situation d’interaction avec l’utilisateur. Nos travaux posent de nombreuses questions scientifiques et ouvrent sur les problématiques suivantes : Comment modéliser les émotions en informatique en se basant sur les différentes approches des émotions en psychologie ? Quel niveau de réalisme visuel de l’agent est nécessaire pour permettre une bonne expressivité émotionnelle ? Comment permettre l’interaction temps réel avec un agent virtuel ? Comment évaluer l’impact des émotions exprimées par l’agent virtuel sur l’utilisateur ? A partir de ces problématiques, nous avons axé nos travaux sur la modélisation informatique des émotions et sur leurs expressions faciales par un personnage virtuel réaliste. En effet, les expressions faciales sont une modalité privilégiée de la communication émotionnelle. Notre objectif principal est de contribuer l’amélioration de l’interaction entre l’utilisateur et un agent virtuel expressif. Nos études ont donc pour objectif de mettre en lumière les avantages et les inconvénients des différentes approches des émotions ainsi que des méthodes graphiques étudiées. Nous avons travaillé selon deux axes de recherches complémentaires. D’une part, nous avons exploré différentes approches des émotions (catégorielle, dimensionnelle, cognitive, et sociale). Pour chacune de ces approches, nous proposons un modèle informatique et une méthode d’animation faciale temps réel associée. Notre second axe de recherche porte sur l’apport du réalisme visuel et du niveau de détail graphique à l’expressivité de l’agent. Cet axe est complémentaire au premier, car un plus grand niveau de détail visuel pourrait permettre de mieux refléter la complexité du modèle émotionnel informatique utilisé. Les travaux que nous avons effectués selon ces deux axes ont été évalués par des études perceptives menées sur des utilisateurs.La combinaison de ces deux axes de recherche est rare dans les systèmes d’agents virtuels expressifs existants. Ainsi, nos travaux ouvrent des perspectives pour l’amélioration de la conception d’agents virtuels expressifs et de la qualité de l’interaction homme machine basée sur les agents virtuels expressifs interactifs. L’ensemble des logiciels que nous avons conçus forme notre plateforme d’agents virtuels MARC (Multimodal Affective and Reactive Characters). MARC a été utilisée dans des applications de natures diverses : jeu, intelligence ambiante, réalité virtuelle, applications thérapeutiques, performances artistiques, etc.

Emotions and their expressions by virtual characters are two important issues for future affective human-machine interfaces. Recent advances in psychology of emotions as well as recent progress in computer graphics allow us to animate virtual characters that are capable of expressing emotions in a realistic way through various modalities. Existing virtual agent systems are often limited in terms of underlying emotional models, visual realism, and real-time interaction capabilities. In our research, we focus on virtual agents capable of expressing emotions through facial expressions while interacting with the user. Our work raises several issues: How can we design computational models of emotions inspired by the different approaches to emotion in Psychology? What is the level of visual realism required for the agent to express emotions? How can we enable real-time interaction with a virtual agent? How can we evaluate the impact on the user of the emotions expressed by the virtual agent? Our work focuses on computational modeling of emotions inspired by psychological theories of emotion and emotional facial expressions by a realistic virtual character. Facial expressions are known to be a privileged emotional communication modality. Our main goal is to contribute to the improvement of the interaction between a user and an expressive virtual agent. For this purpose, our research highlights the pros and cons of different approaches to emotions and different computer graphics techniques. We worked in two complementary directions. First, we explored different approaches to emotions (categorical, dimensional, cognitive, and social). For each of these approaches, a computational model has been designed together with a method for real-time facial animation. Our second line of research focuses on the contribution of visual realism and the level of graphic detail of the expressiveness of the agent. This axis is complementary to the first one, because a greater level of visual detail could contribute to a better expression of the complexity of the underlying computational model of emotion. Our work along these two lines was evaluated by several user-based perceptual studies. The combination of these two lines of research is seldom in existing expressive virtual agents systems. Our work opens future directions for improving human-computer interaction based on expressive and interactive virtual agents. The software modules that we have designed are integrated into our platform MARC (Multimodal Affective and Reactive Characters). MARC has been used in various kinds of applications: games, ubiquitous intelligence, virtual reality, therapeutic applications, performance art, etc.