Sélection des bandes spectrales optimales pour la reconnaissance des visages

Selection of optimal narrowband multispectral images for face recognition

• Auteur / Autrice : Hamdi Bouchech
• Direction : Sebti Foufou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 26/01/2015
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Electronique, Informatique et Image (LE2i) (Dijon, Côte d'Or ; Auxerre, Yonne ; Chalon-sur-Saône, Saône-et-Loire ; Le Creusot, Saône-et-Loire ; 1996-2018)
• Jury : Président / Présidente : Saïda Bouakaz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Gouton, Yassine Ruichek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Bonton, Frédéric Morain-Nicolier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Vision par ordinateur

Perception des visages

Mots clés libres

Reconnaissance de visage

Images multi-spectrale

Spectre visible

Vision par ordinateur

Optimisation

Face recognition

Multi-spectral Images

Visible spectrum

Computer vision

Optimisation

Résumé

Les performances des systèmes de reconnaissance des visages en utilisant des images RGB baissent rapidement quand ils sont appliqués dans des conditions d’illumination extrêmes. L’utilisation des images multispectrales représente une alternative prometteuse pour résoudre ce problème. Dans cette thèse on s’intéresse à l’utilisation des images multispectrales visibles pour la reconnaissance des visages humains. Les images multispectrales visibles sont des images capturées à des longueurs d’ondes différentes du spectre visible (band spectral) qui s’étend de 480nm à 720nm. Ces images représentent des caractéristiques qui favorisent la reconnaissance des visages humains dans des conditions particulières comme la présence d’excès d’illumination incidente sur le visage photographié. Notre travail consiste à exploiter ces caractéristiques sur des stages différentes: optimiser le choix du nombre de bandes spectrales à utiliser, optimiser les longueurs d’ondes choisies, optimiser les techniques de fusion des informations extraites à partir des différentes bandes spectrales pour avoir plus d’informations utiles et moins d’informations bruits. Plusieurs nouvelles approches ont été proposées dans le cadre de ce travail avec des résultats encourageants en termes de performances. Ces approches ont exploité plusieurs outils mathématiques pour resoudre les différents problèmes rencontrés, en particulier la formulation de la sélection des bandes spectrales optimales sous formes de problèmes d’optimisation où nous avons utilisé le « basis pursuit algorithm » pour déterminer un vecteur de poids sparse pour représenter l’importance des différentes bandes. Dans d’autres problèmes d’optimisation, nous avons attribué à chaque bande un classifieur faible, puis combiné les classifieurs faibles avec dif- férents poids associés selon l’importance. La méthode Adaboost a été utilisée pour trouver la combinaison optimale. D’autres techniques ont introduites d’une manière originale la dé- composition multilinéaire des images de visage pour formuler une sorte de base de données caractérisant les bandes spectrales. Cette base de données a été utilisée avec les nouvelles images, ou image test, pour déterminer les bandes les plus robustes contre une variation importante d’illumination. Le travail présenté dans le cadre de cette thèse est une petite contribution à la reconnaissance des visages en utilisant des images multispectrales, qui est une approche d’actualité, mais qui nécessite encore plus de développement afin de maximiser ses performances.

Face recognition systems based on ’conventional’ images have reached a significant level of maturity with some practical successes. However, their performance may degrade under poor and/or changing illumination. Multispectral imagery represents a viable alternative to conventional imaging in the search for a robust and practical identification system. Multi- spectral imaging (MI) can be defined as a ’collection of several monochrome images of the same scene, each of them taken with additional receptors sensitive to other frequencies of the visible light or to frequencies beyond the visible light like the infrared region of electro- magnetic continuum. Each image is referred to as a band or a channel. However, one weakness of MI is that they may significantly increase the system processing time because of the huge quantity of data to be mined; in some cases, hundreds of MI are taken for each subject. In this thesis, we propose to solve this problem by developing new approaches to select the set of best visible spectral bands for face matching. For this purpose, the problem of best spectral bands selection is formulated as an optimization problem where spectral bands are constrained to maximize the recognition accuracy under challenging imaging conditions. We reduce the redundancy of both spectral and spatial information without losing valuable details needed for the object recognition, discrimination and classification. We have investigated several mathematic and optimization tools widely used in the field of image processing. One of the approaches we have proposed formulated the problem of best spectral bands selection as a pursuit problem where weights of importance were affected to each spectral band and the vector of all weights was constrained to be sparse with most of its elements are zeros. In another work, we have assigned to each spectral band a linear discriminant analysis (LDA) based weak classifier. Then, all weak classifiers were boosted together using an Adaboost process. From this later, each weak classifier obtained a weight that characterizes its importance and hence the quality of the corresponding spectral band. Several other techniques were also used for best spectral bands selection including but not limited to mixture of Gaussian based modeling, multilinear sparse decomposition, image quality factors, local descriptors like SURF and HGPP, likelihood ratio and so on. These different techniques enabled to build systems for best spectral bands selection that are either static with the same bands are selected for all the subjects or dynamic with each new subject get its own set of best bands. This latter category, dynamic systems, is an original component of our work that, to the best of our knowledge, has not been proposed before; all existing systems are only static. Finally, the proposed algorithms were compared to state-of-the-art algorithms developed for face recognition purposes in general and specifically for best spectral bands selection.