Appearance Modelling for 4D Representations

par Vagia Tsiminaki

Thèse de doctorat en Mathématiques, sciences et technologies de l'information

Sous la direction de Edmond Boyer et de Jean-Sébastien Franco.

Le président du jury était Luce Morin.

Les rapporteurs étaient Hyewon Seo, Gabriel Brostow.

  • Titre traduit

    Modélisation de l'apparence des représentations 4D


  • Résumé

    Ces dernières années ont vu l'émergence de la capture des modèles spatio-temporels (modélisation 4D) à partir d'images réelles, avec de nombreuses applications dans les domaines de post-production pour le cinéma, la science des sports, les études sociales, le divertissement, l'industrie de la publicité. A partir de plusieurs séquences vidéos, enregistrées à partir de points de vue variés, la modélisation 4D à partir de vidéos utilise des modèles spatio-temporels pour extraire des informations sur la géométrie et l'apparence de scènes réelles, permettant de les enregistrer et de les reproduire. Cette thèse traite du problème de la modélisation d'apparence.La disponibilité des donnée d'images offre de grands potentiels pour les reconstructions haute fidélité, mais nécessite des méthodes plus élaborées. En outre, les applications du monde réel nécessitent des rendus rapides et des flux réduits de données. Mais l'obtention de représentations d'apparence compactes, indépendantes du point de vue, et à grande résolution est toujours un problème ouvert.Pour obtenir ces caractéristiques, nous exprimons l'information visuelle de l'objet capturé dans un espace de texture commun. Les observations multi-caméra sont considérées comme des réalisations de l'apparence commune et un modèle linéaire est introduit pour matérialiser cette relation. Le modèle linéaire d'apparence proposé permet une première étude du problème de l'estimation d'apparence dans le cas multi-vue et expose les sources variées de bruit et les limitations intrinsèques du modèle.Basé sur ces observations, et afin d'exploiter l'information visuelle de la manière la plus efficace, nous améliorons la méthode en y intégrant un modèle de super-résolution 2D. Le modèle simule le procédé de capture d'image avec une concaténation d'opérations linéaires, générant les observation d'image des différents points de vue et permettant d'exploiter la redondance. Le problème de super-résolution multi-vue résultant est résolu par inférence bayésienne et une représentation haute-résolution d'apparence est fournie permettant de reproduire la texture de l'objet capturé avec grand détail.La composante temporelle est intégrée par la suite au modèle pour permettre d'y recouper l'information visuelle commune sous-jacente. En considérant des petits intervalles de temps ou l'apparence de l'objet ne change pas drastiquement, une représentation super-résolue cohérente temporellement est introduite. Elle explique l'ensemble des images de l'objet capturé dans cet intervalle. Grâce à l'inférence statistique Bayésienne, l'apparence construite permet des rendus avec une grande précision à partir de point de vue nouveau et à des instants différent dans l'intervalle de temps prédéfini.Pour améliorer l'estimation d'apparence d'avantage, l'inter-dépendance de la géométrie et de la photométrie est étudiée et exploitée. Les modélisations de la géométrie et de l'apparence sont unifiées dans le framework de super-résolution permettant une amélioration géométrique globale, ce qui donne à son tour une amélioration importante de l'apparence.Finalement pour encoder la variabilité de l'apparence dynamique des objets subissant plusieurs mouvements, une représentation indépendante du point de vue s'appuyant sur l'analyse en composantes principales est introduite. Cette représentation décompose la variabilité sous-jacente d'apparence en texture propres et déformations propres. La méthode proposée permet de reproduire les apparences de manière précise avec des représentation compactes. Il permet également l'interpolation et la complétion des apparences.Cette étude montre que la représentation compacte, indépendante du point de vue, et super-résolue proposée permet de confronter les nouvelles réalités du problème de modélisation d'apparence. Elle représente un contribution vers des représentations d'apparence 4D haute-qualité et ouvre de nouvelles directions de recherche dans ce domaine.


  • Résumé

    Capturing spatio-temporal models (4D modelling) from real world imagery has received a growing interest during the last years urged by the increasing demands of real-world applications and the tremendous amount of easily accessible image data. The general objective is to produce realistic representations of the world from captured video sequences. Although geometric modelling has already reached a high level of maturity, the appearance aspect has not been fully explored. The current thesis addresses the problem of appearance modelling for realistic spatio-temporal representations. We propose a view-independent, high resolution appearance representation that successfully encodes the high visual variability of objects under various movements.First, we introduce a common appearance space to express all the available visual information from the captured images. In this space we define the representation of the global appearance of the subject. We then introduce a linear image formation model to simulate the capturing process and to express the multi-camera observations as different realizations of the common appearance. Identifying that the principle of Super-Resolution technique governs also our multi-view scenario, we extend the image generative model to accommodate it. In our work, we use Bayesian inference to solve for the super-resolved common appearance.Second, we propose a temporally coherent appearance representation. We extend the image formation model to generateimages of the subject captured in a small time interval. Our starting point is the observation thatthe appearance of the subject does not change dramatically in a predefined small time interval and the visual information from each view and each frame corresponds to the same appearance representation.We use Bayesian inference to exploit the visual redundant as well as the hidden non-redundant information across time, in order to obtain an appearance representation with fine details.Third, we leverage the interdependency of geometry and photometry and use it toestimate appearance and geometry in a joint manner. We show that by jointly estimating both, we are able to enhance the geometry globally that in turn leads to a significant appearance improvement.Finally, to further encode the dynamic appearance variability of objects that undergo several movements, we cast the appearance modelling as a dimensionality reduction problem. We propose a view-independent representation which builds on PCA and decomposesthe underlying appearance variability into Eigen textures and Eigen warps. The proposed framework is shown to accurately reproduce appearances with compact representations and to resolve appearance interpolation and completion tasks.


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