Contributions à l'analyse de visages en 3D : approche régions, approche holistique et étude de dégradations

par Pierre Lemaire

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Liming Chen et de Mohamed Daoudi.

Le président du jury était Samir Akkouche.

Le jury était composé de Kevin Bailly.

Les rapporteurs étaient Alice Caplier, Youssef Chahir.


  • Résumé

    Historiquement et socialement, le visage est chez l'humain une modalité de prédilection pour déterminer l'identité et l'état émotionnel d'une personne. Il est naturellement exploité en vision par ordinateur pour les problèmes de reconnaissance de personnes et d'émotions. Les algorithmes d'analyse faciale automatique doivent relever de nombreux défis : ils doivent être robustes aux conditions d'acquisition ainsi qu'aux expressions du visage, à l'identité, au vieillissement ou aux occultations selon le scénario. La modalité 3D a ainsi été récemment investiguée. Elle a l'avantage de permettre aux algorithmes d'être, en principe, robustes aux conditions d'éclairage ainsi qu'à la pose. Cette thèse est consacrée à l'analyse de visages en 3D, et plus précisément la reconnaissance faciale ainsi que la reconnaissance d'expressions faciales en 3D sans texture. Nous avons dans un premier temps axé notre travail sur l'apport que pouvait constituer une approche régions aux problèmes d'analyse faciale en 3D. L'idée générale est que le visage, pour réaliser les expressions faciales, est déformé localement par l'activation de muscles ou de groupes musculaires. Il est alors concevable de décomposer le visage en régions mimiques et statiques, et d'en tirer ainsi profit en analyse faciale. Nous avons proposé une paramétrisation spécifique, basée sur les distances géodésiques, pour rendre la localisation des régions mimiques et statiques le plus robustes possible aux expressions. Nous avons également proposé une approche régions pour la reconnaissance d'expressions du visage, qui permet de compenser les erreurs liées à la localisation automatique de points d'intérêt. Les deux approches proposées dans ce chapitre ont été évaluées sur des bases standards de l'état de l'art. Nous avons également souhaité aborder le problème de l'analyse faciale en 3D sous un autre angle, en adoptant un système de cartes de représentation de la surface 3D. Nous avons ainsi proposé de projeter sur le plan 2D des informations liées à la topologie de la surface 3D, à l'aide d'un descripteur géométrique inspiré d'une mesure de courbure moyenne. Les problèmes de reconnaissance faciale et de reconnaissance d'expressions 3D sont alors ramenés à ceux de l'analyse faciale en 2D. Nous avons par exemple utilisé SIFT pour l'extraction puis l'appariement de points d'intérêt en reconnaissance faciale. En reconnaissance d'expressions, nous avons utilisé une méthode de description des visages basée sur les histogrammes de gradients orientés, puis classé les expressions à l'aide de SVM multi-classes. Dans les deux cas, une méthode de fusion simple permet l'agrégation des résultats obtenus à différentes échelles. Ces deux propositions ont été évaluées sur la base BU-3DFE, montrant de bonnes performances tout en étant complètement automatiques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'impact des dégradations des modèles 3D sur les performances des algorithmes d'analyse faciale. Ces dégradations peuvent avoir plusieurs origines, de la capture physique du visage humain au traitement des données en vue de leur interprétation par l'algorithme. Après une étude des origines et une théorisation des types de dégradations potentielles, nous avons défini une méthodologie permettant de chiffrer leur impact sur des algorithmes d'analyse faciale en 3D. Le principe est d'exploiter une base de données considérée sans défauts, puis de lui appliquer des dégradations canoniques et quantifiables. Les algorithmes d'analyse sont alors testés en comparaison sur les bases dégradées et originales. Nous avons ainsi comparé le comportement de 4 algorithmes de reconnaissance faciale en 3D, ainsi que leur fusion, en présence de dégradations, validant par la diversité des résultats obtenus la pertinence de ce type d'évaluation.


  • Résumé

    Historically and socially, the human face is one of the most natural modalities for determining the identity and the emotional state of a person. It has been exploited by computer vision scientists within the automatic facial analysis domain. Still, proposed algorithms classically encounter a number of shortcomings. They must be robust to varied acquisition conditions. Depending on the scenario, they must take into account intra-class variations such as expression, identity (for facial expression recognition), aging, occlusions. Thus, the 3D modality has been suggested as a counterpoint for a number of those issues. In principle, 3D views of an object are insensitive to lightning conditions. They are, theoretically, pose-independant as well. The present thesis work is dedicated to 3D Face Analysis. More precisely, it is focused on non-textured 3D Face Recognition and 3D Facial Expression Recognition. In the first instance, we have studied the benefits of a region-based approach to 3D Face Analysis problems. The general concept is that a face, when performing facial expressions, is deformed locally by the activation of muscles or groups of muscles. We then assumed that it was possible to decompose the face into several regions of interest, assumed to be either mimic or static. We have proposed a specific facial surface parametrization, based upon geodesic distance. It is designed to make region localization as robust as possible regarding expression variations. We have also used a region-based approach for 3D facial expression recognition, which allows us to compensate for errors relative to automatic landmark localization. We also wanted to experiment with a Representation Map system. Here, the main idea is to project 3D surface topology data on the 2D plan. This translation to the 2D domain allows us to benefit from the large amount of related works in the litterature. We first represent the face as a set of maps representing different scales, with the help of a geometric operator inspired by the Mean Curvature measure. For Facial Recognition, we perform a SIFT keypoints extraction. Then, we match extracted keypoints between corresponding maps. As for Facial Expression Recognition, we normalize and describe every map thanks to the Histograms of Oriented Gradients algorithm. We further classify expressions using multi-class SVM. In both cases, a simple fusion step allows us to aggregate the results obtained on every single map. Finally, we have studied the impact of 3D models degradations over the performances of 3D facial analysis algorithms. A 3D facial scan may be an altered representation of its real life model, because of several reasons, which range from the physical caption of the human model to data processing. We propose a methodology that allows us to quantify the impact of every single type of degradation over the performances of 3D face analysis algorithms. The principle is to build a database regarded as free of defaults, then to apply measurable degradations to it. Algorithms are further tested on clean and degraded datasets, which allows us to quantify the performance loss caused by degradations. As an experimental proof of concept, we have tested four different algorithms, as well as their fusion, following the aforementioned protocol. With respect to the various types of contemplated degradations, the diversity of observed behaviours shows the relevance of our approach.


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  • Détails : 1 vol. (v-121 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. [113]-120

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2394
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  • Cote : T2394 mag
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