Computer vision methods for unconstrained gesture recognition in the context of sign language annotation

Cette thèse porte sur l'étude des méthodes de vision par ordinateur pour la reconnaissance de gestes naturels dans le contexte de l'annotation de la Langue des Signes. La langue des signes (LS) est une langue gestuelle développée par les sourds pour communiquer. Un énoncé en LS consiste en une séquence de signes réalisés par les mains, accompagnés d'expressions du visage et de mouvements du haut du corps, permettant de transmettre des informations en parallèles dans le discours. Même si les signes sont définis dans des dictionnaires, on trouve une très grande variabilité liée au contexte lors de leur réalisation. De plus, les signes sont souvent séparés par des mouvements de co-articulation. Cette extrême variabilité et l'effet de co-articulation représentent un problème important dans les recherches en traitement automatique de la LS. Il est donc nécessaire d'avoir de nombreuses vidéos annotées en LS, si l'on veut étudier cette langue et utiliser des méthodes d'apprentissage automatique. Les annotations de vidéo en LS sont réalisées manuellement par des linguistes ou experts en LS, ce qui est source d'erreur, non reproductible et extrêmement chronophage. De plus, la qualité des annotations dépend des connaissances en LS de l'annotateur. L'association de l'expertise de l'annotateur aux traitements automatiques facilite cette tâche et représente un gain de temps et de robustesse. Le but de nos recherches est d'étudier des méthodes de traitement d'images afin d'assister l'annotation des corpus vidéo: suivi des composantes corporelles, segmentation des mains, segmentation temporelle, reconnaissance de gloses. Au cours de cette thèse nous avons étudié un ensemble de méthodes permettant de réaliser l'annotation en glose. Dans un premier temps, nous cherchons à détecter les limites de début et fin de signe. Cette méthode d'annotation nécessite plusieurs traitements de bas niveau afin de segmenter les signes et d'extraire les caractéristiques de mouvement et de forme de la main. D'abord nous proposons une méthode de suivi des composantes corporelles robuste aux occultations basée sur le filtrage particulaire. Ensuite, un algorithme de segmentation des mains est développé afin d'extraire la région des mains même quand elles se trouvent devant le visage. Puis, les caractéristiques de mouvement sont utilisées pour réaliser une première segmentation temporelle des signes qui est par la suite améliorée grâce à l'utilisation de caractéristiques de forme. En effet celles-ci permettent de supprimer les limites de segmentation détectées en milieu des signes. Une fois les signes segmentés, on procède à l'extraction de caractéristiques visuelles pour leur reconnaissance en termes de gloses à l'aide de modèles phonologiques. Nous avons évalué nos algorithmes à l'aide de corpus internationaux, afin de montrer leur avantages et limitations. L'évaluation montre la robustesse de nos méthodes par rapport à la dynamique et le grand nombre d'occultations entre les différents membres. L'annotation résultante est indépendante de l'annotateur et représente un gain de robustese important.This PhD thesis concerns the study of computer vision methods for the automatic recognition of unconstrained gestures in the context of sign language annotation. Sign Language (SL) is a visual-gestural language developed by deaf communities. Continuous SL consists on a sequence of signs performed one after another involving manual and non-manual features conveying simultaneous information. Even though standard signs are defined in dictionaries, we find a huge variability caused by the context-dependency of signs. In addition signs are often linked by movement epenthesis which consists on the meaningless gesture between signs. The huge variability and the co-articulation effect represent a challenging problem during automatic SL processing. It is necessary to have numerous annotated video corpus in order to train statistical machine translators and study this language. Generally the annotation of SL video corpus is manually performed by linguists or computer scientists experienced in SL. However manual annotation is error-prone, unreproducible and time consuming. In addition de quality of the results depends on the SL annotators knowledge. Associating annotator knowledge to image processing techniques facilitates the annotation task increasing robustness and speeding up the required time. The goal of this research concerns on the study and development of image processing technique in order to assist the annotation of SL video corpus: body tracking, hand segmentation, temporal segmentation, gloss recognition. Along this PhD thesis we address the problem of gloss annotation of SL video corpus. First of all we intend to detect the limits corresponding to the beginning and end of a sign. This annotation method requires several low level approaches for performing temporal segmentation and for extracting motion and hand shape features. First we propose a particle filter based approach for robustly tracking hand and face robust to occlusions. Then a segmentation method for extracting hand when it is in front of the face has been developed. Motion is used for segmenting signs and later hand shape is used to improve the results. Indeed hand shape allows to delete limits detected in the middle of a sign. Once signs have been segmented we proceed to the gloss recognition using lexical description of signs. We have evaluated our algorithms using international corpus, in order to show their advantages and limitations. The evaluation has shown the robustness of the proposed methods with respect to high dynamics and numerous occlusions between body parts. Resulting annotation is independent on the annotator and represents a gain on annotation consistency

Objectivation et standardisation des évaluations ergonomiques des postes de travail à partir de données Kinect

Evaluation of potential risks of musculoskeletal disorders in real workstations is challenging as the environment is cluttered, which makes it difficult to correctly and accurately assess the pose of a worker. Most of the traditional motion capture systems cannot deal with these workplace constraints. Being marker-free and calibration-free, Microsoft Kinect is a promising device to assess these poses, but the validity of the delivered kinematic data under work conditions is still unknown. In this thesis we first propose an extensive validation of the Kinect system in an ergonomic assessment context with sub-optimal capture condition. As most of the large inaccuracies come from occlusions, we propose a new example-based method to correct unreliable poses delivered by the Kinect in such a situation. We introduced the Filtered Pose Graph structure to make the method select the most relevant candidates before combination. In an ergonomics context, we computed RULA scores and compared them to those computed from an optoelectronic mocap system. We also propose to challenge our method in real workplace environment and compared its performance to experts' evaluation in the Faurecia company. Finally, we evaluated the relevance of the proposed method to estimate internal joint torques thanks to inverse dynamics, even if occlusions occur. Our method opens new perspectives to define new fatigue or solicitation indexes based on continuous measurement contrary to classical static images generally used in ergonomics. The computation time enables real-time feedback and interaction with the operator.L'analyse ergonomique des postes de travail reste le point de départ de toute politique de prévention des risques de maladies professionnelles. De nombreux travaux scientifiques s'attachent à quantifier les déterminants à risque pour aboutir le plus souvent à un score de pénibilité. La difficulté actuelle des méthodes de cotation ergonomique se situe au niveau de la capture de ces déterminants. La majorité des systèmes se limitent à une collecte de données souvent subjective et très influencé par la personne effectuant la cotation. La volonté de l'entreprise par le biais de ce stage est d'objectiver l'analyse ergonomique des postes de travail par une capture du mouvement de l'opérateur. Le principale défi est le passage d'outil et de méthode scientifique à une utilisation de terrain avec toutes les contraintes qu'elle induit.L'apport des avancées technologiques et scientifiques encourage ce passage par des outils utilisable dans le contexte industriel. Les deux principaux objectif de ce stage se sont situer premièrement sur la limitation des biais de capture pour amener un précision et un standardisation de la mesure de terrain, ainsi que sur l'accès à de nouvelles données notamment l'aspect temporel de la tâche effectuée. Le matériel utilisé est le capteur de profondeur Kinect développé par Microsoft. Cet appareil fait l'objet d’études scientifique dans différents domaines et plus particulièrement dans son utilisation pour de la capture de mouvements.Lors de ce stage, nous nous somme attaché à traiter le signal émis par la Kinect, pour obtenir des données permettant le remplissage automatique de grille de cotation. Le bruit de mesure fût travailler à l'aide d'un filtre récursif passe bas utilisé fréquemment en laboratoire d'analyse du mouvement. Le traitement des données spatiales brut des articulations de l'opérateur pour obtenir des angles fit l'objet d'un grande partie du travail, car ne nombreux paramètre entre en jeu comme la position du capteur.La réussite du stage à permis de limiter la subjectivité de la mesure mais à également donnée l'accès à de nouveaux indices comme les pourcentage de temps de cycle passé à des angulations dangereuses pour l'opérateur. Le passage d'outil de laboratoire au terrain mérite encore d'être travaillé notamment dans la robustesse des systèmes développés et doit s'appuyer sur des expérimentations de laboratoire

A study of system requirements for Phobos/Diemos missions. Volume 3: Phase 2 results, satellite sample return missions and satellite mobility concepts

The scientific objectives were considered for a Phobos/Deimos mission. The payloads for a minimum useful instrument complement were developed. The rationale for a sample return mission is discussed, along with the scientific constraints and requirements for the acquisition of samples

Suivi visuel d'objets dans un réseau de caméras intelligentes embarquées

Multi-object tracking constitutes a major step in several computer vision applications. The requirements of these applications in terms of performance, processing time, energy consumption and the ease of deployment of a visual tracking system, make the use of low power embedded platforms essential. In this thesis, we designed a multi-object tracking system that achieves real time processing on a low cost and a low power embedded smart camera. The tracking pipeline was extended to work in a network of cameras with nonoverlapping field of views. The tracking pipeline is composed of a detection module based on a background subtraction method and on a tracker using the probabilistic Gaussian Mixture Probability Hypothesis Density (GMPHD) filter. The background subtraction, we developed, is a combination of the segmentation resulted from the Zipfian Sigma-Delta method with the gradient of the input image. This combination allows reliable detection with low computing complexity. The output of the background subtraction is processed using a connected components analysis algorithm to extract the features of moving objects. The features are used as input to an improved version of GMPHD filter. Indeed, the original GMPHD do not manage occlusion problems. We integrated two new modules in GMPHD filter to handle occlusions between objects. If there are no occlusions, the motion feature of objects is used for tracking. When an occlusion is detected, the appearance features of the objects are saved to be used for re-identification at the end of the occlusion. The proposed tracking pipeline was optimized and implemented on an embedded smart camera composed of the Raspberry Pi version 1 board and the camera module RaspiCam. The results show that besides the low complexity of the pipeline, the tracking quality of our method is close to the stat of the art methods. A frame rate of 15 − 30 was achieved on the smart camera depending on the image resolution. In the second part of the thesis, we designed a distributed approach for multi-object tracking in a network of non-overlapping cameras. The approach was developed based on the fact that each camera in the network runs a GMPHD filter as a tracker. Our approach is based on a probabilistic formulation that models the correspondences between objects as an appearance probability and space-time probability. The appearance of an object is represented by a vector of m dimension, which can be considered as a histogram. The space-time features are represented by the transition time between two input-output regions in the network and the transition probability from a region to another. Transition time is modeled as a Gaussian distribution with known mean and covariance. The distributed aspect of the proposed approach allows a tracking over the network with few communications between the cameras. Several simulations were performed to validate the approach. The obtained results are promising for the use of this approach in a real network of smart cameras.Le suivi d’objets est de plus en plus utilisé dans les applications de vision par ordinateur. Compte tenu des exigences des applications en termes de performance, du temps de traitement, de la consommation d’énergie et de la facilité du déploiement des systèmes de suivi, l’utilisation des architectures embarquées de calcul devient primordiale. Dans cette thèse, nous avons conçu un système de suivi d’objets pouvant fonctionner en temps réel sur une caméra intelligente de faible coût et de faible consommation équipée d’un processeur embarqué ayant une architecture légère en ressources de calcul. Le système a été étendu pour le suivi d’objets dans un réseau de caméras avec des champs de vision non-recouvrant. La chaîne algorithmique est composée d’un étage de détection basé sur la soustraction de fond et d’un étage de suivi utilisant un algorithme probabiliste Gaussian Mixture Probability Hypothesis Density (GMPHD). La méthode de soustraction de fond que nous avons proposée combine le résultat fournie par la méthode Zipfian Sigma-Delta avec l’information du gradient de l’image d’entrée dans le but d’assurer une bonne détection avec une faible complexité. Le résultat de soustraction est traité par un algorithme d’analyse des composantes connectées afin d’extraire les caractéristiques des objets en mouvement. Les caractéristiques constituent les observations d’une version améliorée du filtre GMPHD. En effet, le filtre GMPHD original ne traite pas les occultations se produisant entre les objets. Nous avons donc intégré deux modules dans le filtre GMPHD pour la gestion des occultations. Quand aucune occultation n’est détectée, les caractéristiques de mouvement des objets sont utilisées pour le suivi. Dans le cas d’une occultation, les caractéristiques d’apparence des objets, représentées par des histogrammes en niveau de gris sont sauvegardées et utilisées pour la ré-identification à la fin de l’occultation. Par la suite, la chaîne de suivi développée a été optimisée et implémentée sur une caméra intelligente embarquée composée de la carte Raspberry Pi version 1 et du module caméra RaspiCam. Les résultats obtenus montrent une qualité de suivi proche des méthodes de l’état de l’art et une cadence d’images de 15 − 30 fps sur la caméra intelligente selon la résolution des images. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons conçu un système distribué de suivi multi-objet pour un réseau de caméras avec des champs non recouvrants. Le système prend en considération que chaque caméra exécute un filtre GMPHD. Le système est basé sur une approche probabiliste qui modélise la correspondance entre les objets par une probabilité d’apparence et une probabilité spatio-temporelle. L’apparence d’un objet est représentée par un vecteur de m éléments qui peut être considéré comme un histogramme. La caractéristique spatio-temporelle est représentée par le temps de transition des objets et la probabilité de transition d’un objet d’une région d’entrée-sortie à une autre. Le temps de transition est modélisé par une loi normale dont la moyenne et la variance sont supposées être connues. L’aspect distribué de l’approche proposée assure un suivi avec peu de communication entre les noeuds du réseau. L’approche a été testée en simulation et sa complexité a été analysée. Les résultats obtenus sont prometteurs pour le fonctionnement de l’approche dans un réseau de caméras intelligentes réel

Viking '75 spacecraft design and test summary. Volume 2: Orbiter design

The design of the Viking orbiter spacecraft is described. System configuration, telecommunications, and guidance and control requirements are presented

Implicit meshes:unifying implicit and explicit surface representations for 3D reconstruction and tracking

This thesis proposes novel ways both to represent the static surfaces, and to parameterize their deformations. This can be used both by automated algorithms for efficient 3–D shape reconstruction, and by graphics designers for editing and animation. Deformable 3–D models can be represented either as traditional explicit surfaces, such as triangulated meshes, or as implicit surfaces. Explicit surfaces are widely accepted because they are simple to deform and render, however fitting them involves minimizing a non-differentiable distance function. By contrast, implicit surfaces allow fitting by minimizing a differentiable algebraic distance, but they are harder to meaningfully deform and render. Here we propose a method that combines the strength of both representations to avoid their drawbacks, and in this way build robust surface representation, called implicit mesh, suitable for automated shape recovery from video sequences. This surface representation lets us automatically detect and exploit silhouette constraints in uncontrolled environments that may involve occlusions and changing or cluttered backgrounds, which limit the applicability of most silhouette based methods. We advocate the use of Dirichlet Free Form Deformation (DFFD) as generic surface deformation technique that can be used to parameterize objects of arbitrary geometry defined as explicit meshes. It is based on the small set of control points and the generalized interpolant. Control points become model parameters and their change causes model's shape modification. Using such parameterization the problem dimensionality can be dramatically reduced, which is desirable property for most optimization algorithms, thus makes DFFD good tool for automated fitting. Combining DFFD as a generic parameterization method for explicit surfaces and implicit meshes as a generic surface representation we obtained a powerfull tool for automated shape recovery from images. However, we also argue that any other avaliable surface parameterization can be used. We demonstrate the applicability of our technique to 3–D reconstruction of the human upper-body including – face, neck and shoulders, and the human ear, from noisy stereo and silhouette data. We also reconstruct the shape of a high resolution human faces parametrized in terms of a Principal Component Analysis model from interest points and automatically detected silhouettes. Tracking of deformable objects using implicit meshes from silhouettes and interest points in monocular sequences is shown in following two examples: Modeling the deformations of a piece of paper represented by an ordinary triangulated mesh; tracking a person's shoulders whose deformations are expressed in terms of Dirichlet Free Form Deformations

Study of Mars geoscience orbiter and lunar geoscience orbiter, revision 1. Volume 1: Technical

The feasibility and efficiency of using an existing Earth orbiter to perform planetary missions was evaluated

Ames Research Center publications: A continuing bibliography, 1978

This bibliography lists formal NASA publications, journal articles, books, chapters of books, patents and contractor reports issued by Ames Research Center which were indexed by Scientific and Technical Aerospace Abstracts, Limited Scientific and Technical Aerospace Abstracts, and International Aerospace Abstracts in 1978. Citations are arranged by directorate, type of publication and NASA accession numbers. Subject, personal author, corporate source, contract number, and report/accession number indexes are provided

Augmented reality for non-rigid surfaces

Augmented Reality (AR) is the process of integrating virtual elements in reality, often by mixing computer graphics into a live video stream of a real scene. It requires registration of the target object with respect to the cameras. To this end, some approaches rely on dedicated hardware, such as magnetic trackers or infra-red cameras, but they are too expensive and cumbersome to reach a large public. Others are based on specifically designed markers which usually look like bar-codes. However, they alter the look of objects to be augmented, thereby hindering their use in application for which visual design matters. Recent advances in Computer Vision have made it possible to track and detect objects by relying on natural features. However, no such method is commonly used in the AR community, because the maturity of available packages is not sufficient yet. As far as deformable surfaces are concerned, the choice is even more limited, mainly because initialization is so difficult. Our main contribution is therefore a new AR framework that can properly augment deforming surfaces in real-time. Its target platform is a standard PC and a single webcam. It does not require any complex calibration procedure, making it perfectly suitable for novice end-users. To satisfy to the most demanding application designers, our framework does not require any scene engineering, renders virtual objects illuminated by real light, and let real elements occlude virtual ones. To meet this challenge, we developed several innovative techniques. Our approach to real-time registration of a deforming surface is based on wide-baseline feature matching. However, traditional outlier elimination techniques such as RANSAC are unable to handle the non-rigid surface's large number of degrees of freedom. We therefore proposed a new robust estimation scheme that allows both 2–D and 3–D non-rigid surface registration. Another issue of critical importance in AR to achieve realism is illumination handling, for which existing techniques often require setup procedures or devices such as reflective spheres. By contrast, our framework includes methods to estimate illumination for rendering purposes without sacrificing ease of use. Finally, several existing approaches to handling occlusions in AR rely on multiple cameras or can only deal with occluding objects modeled beforehand. Our requires only one camera and models occluding objects at runtime. We incorporated these components in a consistent and flexible framework. We used it to augment many different objects such as a deforming T-shirt or a sheet of paper, under challenging conditions, in real-time, and with correct handling of illumination and occlusions. We also used our non-rigid surface registration technique to measure the shape of deformed sails. We validated the ease of deployment of our framework by distributing a software package and letting an artist use it to create two AR applications