Analyse et caractérisation temps réel de vidéos chirurgicales. Application à la chirurgie de la cataracte

Huge amounts of medical data are recorded every day. Those data could be very helpful for medical practice. The LaTIM has acquired solid know-how about the analysis of those data for decision support. In this PhD thesis, we propose to reuse annotated surgical videos previously recorded and stored in a dataset, for computer-aided surgery. To be able to provide relevant information, we first need to recognize which surgical gesture is being performed at each instant of the surgery, based on the monitoring video. This challenging task is the aim of this thesis. We propose an automatic solution to analyze cataract surgeries, in real time, while the video is being recorded. A content based video retrieval (CBVR) method is used to categorize the monitoring video, in combination with a statistical model of the surgical process to bring contextual information. The system performs an on-line analysis of the surgical process at two levels of description for a complete and precise analysis. The methods developed during this thesis have been evaluated in a dataset of cataract surgery videos collected at Brest University Hospital. Promising results were obtained for the automatic analysis of cataract surgeries and surgical gesture recognition. The statistical model allows an analysis which is both fine-tuned and comprehensive. The general approach proposed in this thesis could be easily used for computer aided surgery, by providing recommendations or video sequence examples. The method could also be used to annotate videos for indexing purposes.L'objectif de cette thèse est de fournir aux chirurgiens des aides opératoires en temps réel. Nous nous appuyons pour cela sur des vidéos préalablement archivées et interprétées. Pour que cette aide soit pertinente, il est tout d'abord nécessaire de reconnaître, à chaque instant, le geste pratiqué par le chirurgien. Ce point est essentiel et fait l'objet de cette thèse. Différentes méthodes ont été développées et évaluées, autour de la reconnaissance automatique du geste chirurgical. Nous nous sommes appuyés sur des méthodes de catégorisation (recherche des cas les plus proches basée sur l'extraction du contenu visuel) et des modèles statistiques du processus chirurgical. Les réflexions menées ont permis d'aboutir à une analyse automatique de la chirurgie à plusieurs niveaux de description. L'évaluation des méthodes a été effectuée sur une base de données de vidéos de chirurgies de la cataracte, collectées grâce à une forte collaboration avec le service d'ophtalmologie du CHRU de Brest. Des résultats encourageants ont été obtenus pour la reconnaissance automatique du geste chirurgical. Le modèle statistique multi-échelles développé permet une analyse fine et complète de la chirurgie. L'approche proposée est très générale et devrait permettre d'alerter le chirurgien sur les déroulements opératoires à risques, et lui fournir des recommandations en temps réel sur des conduites à tenir reconnues. Les méthodes développées permettront également d'indexer automatiquement des vidéos chirurgicales archivées

Modèles structurés pour la reconnaissance d'actions dans des vidéos réalistes

Cette thèse décrit de nouveaux modèles pour la reconnaissance de catégories d'actions comme "ouvrir une porte" ou "courir" dans des vidéos réalistes telles que les films. Nous nous intéressons tout particulièrement aux propriétés structurelles des actions : comment les décomposer, quelle en est la structure caractéristique et comment utiliser cette information afin de représenter le contenu d'une vidéo. La difficulté principale à laquelle nos modèles s'attellent réside dans la satisfaction simultanée de deux contraintes antagonistes. D'une part, nous devons précisément modéliser les aspects discriminants d'une action afin de pouvoir clairement identifier les différences entre catégories. D'autre part, nos représentations doivent être robustes en conditions réelles, c'est-à-dire dans des vidéos réalistes avec de nombreuses variations visuelles en termes d'acteurs, d'environnements et de points de vue. Dans cette optique, nous proposons donc trois modèles précis et robustes à la fois, qui capturent les relations entre parties d'actions ainsi que leur contenu. Notre approche se base sur des caractéristiques locales - notamment les points d'intérêts spatio-temporels et le flot optique - et a pour objectif d'organiser l'ensemble des descripteurs locaux décrivant une vidéo. Nous proposons aussi des noyaux permettant de comparer efficacement les représentations structurées que nous introduisons. Bien que nos modèles se basent tous sur les principes mentionnés ci-dessus, ils différent de par le type de problème traité et la structure sur laquelle ils reposent. Premièrement, nous proposons de modéliser une action par une séquence de parties temporelles atomiques correspondant à une décomposition sémantique. De plus, nous décrivons comment apprendre un modèle flexible de la structure temporelle dans le but de localiser des actions dans des vidéos de longue durée. Deuxièmement, nous étendons nos idées à l'estimation et à la représentation de la structure spatio-temporelle d'activités plus complexes. Nous décrivons un algorithme d'apprentissage non supervisé permettant de dégager automatiquement une décomposition hiérarchique du contenu dynamique d'une vidéo. Nous utilisons la structure arborescente qui en résulte pour modéliser une action de manière hiérarchique. Troisièmement, au lieu de comparer des modèles structurés, nous explorons une autre alternative : directement comparer des modèles de structure. Pour cela, nous représentons des actions de courte durée comme des séries temporelles en haute dimension et étudions comment la dynamique temporelle d'une action peut être utilisée pour améliorer les performances des modèles non structurés formant l'état de l'art en reconnaissance d'actions. Dans ce but, nous proposons un noyau calculant de manière efficace la similarité entre les dépendances temporelles respectives de deux actions. Nos trois approches et leurs assertions sont à chaque fois validées par des expériences poussées sur des bases de données publiques parmi les plus difficiles en reconnaissance d'actions. Nos résultats sont significativement meilleurs que ceux de l'état de l'art, illustrant ainsi à quel point la structure des actions est importante afin de bâtir des modèles précis et robustes pour la reconnaissance d'actions dans des vidéos réalistes.This dissertation introduces novel models to recognize broad action categories - like "opening a door" and "running" - in real-world video data such as movies and internet videos. In particular, we investigate how an action can be decomposed, what is its discriminative structure, and how to use this information to accurately represent video content. The main challenge we address lies in how to build models of actions that are simultaneously information-rich - in order to correctly differentiate between different action categories - and robust to the large variations in actors, actions, and videos present in real-world data. We design three robust models capturing both the content of and the relations between action parts. Our approach consists in structuring collections of robust local features - such as spatio-temporal interest points and short-term point trajectories. We also propose efficient kernels to compare our structured action representations. Even if they share the same principles, our methods differ in terms of the type of problem they address and the structure information they rely on. We, first, propose to model a simple action as a sequence of meaningful atomic temporal parts. We show how to learn a flexible model of the temporal structure and how to use it for the problem of action localization in long unsegmented videos. Extending our ideas to the spatio-temporal structure of more complex activities, we, then, describe a large-scale unsupervised learning algorithm used to hierarchically decompose the motion content of videos. We leverage the resulting tree-structured decompositions to build hierarchical action models and provide an action kernel between unordered binary trees of arbitrary sizes. Instead of structuring action models, we, finally, explore another route: directly comparing models of the structure. We view short-duration actions as high-dimensional time-series and investigate how an action's temporal dynamics can complement the state-of-the-art unstructured models for action classification. We propose an efficient kernel to compare the temporal dependencies between two actions and show that it provides useful complementary information to the traditional bag-of-features approach. In all three cases, we conducted thorough experiments on some of the most challenging benchmarks used by the action recognition community. We show that each of our methods significantly outperforms the related state of the art, thus highlighting the importance of structure information for accurate and robust action recognition in real-world videos.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Apprentissage statistique de modèles de comportement multimodal pour les agents conversationnels interactifs

Face to face interaction is one of the most fundamental forms of human communication. It is a complex multimodal and coupled dynamic system involving not only speech but of numerous segments of the body among which gaze, the orientation of the head, the chest and the body, the facial and brachiomanual movements, etc. The understanding and the modeling of this type of communication is a crucial stage for designing interactive agents capable of committing (hiring) credible conversations with human partners. Concretely, a model of multimodal behavior for interactive social agents faces with the complex task of generating gestural scores given an analysis of the scene and an incremental estimation of the joint objectives aimed during the conversation. The objective of this thesis is to develop models of multimodal behavior that allow artificial agents to engage into a relevant co-verbal communication with a human partner. While the immense majority of the works in the field of human-agent interaction (HAI) is scripted using ruled-based models, our approach relies on the training of statistical models from tracks collected during exemplary interactions, demonstrated by human trainers. In this context, we introduce "sensorimotor" models of behavior, which perform at the same time the recognition of joint cognitive states and the generation of the social signals in an incremental way. In particular, the proposed models of behavior have to estimate the current unit of interaction ( IU) in which the interlocutors are jointly committed and to predict the co-verbal behavior of its human trainer given the behavior of the interlocutor(s). The proposed models are all graphical models, i.e. Hidden Markov Models (HMM) and Dynamic Bayesian Networks (DBN). The models were trained and evaluated - in particular compared with classic classifiers - using datasets collected during two different interactions. Both interactions were carefully designed so as to collect, in a minimum amount of time, a sufficient number of exemplars of mutual attention and multimodal deixis of objects and places. Our contributions are completed by original methods for the interpretation and comparative evaluation of the properties of the proposed models. By comparing the output of the models with the original scores, we show that the HMM, thanks to its properties of sequential modeling, outperforms the simple classifiers in term of performances. The semi-Markovian models (HSMM) further improves the estimation of sensorimotor states thanks to duration modeling. Finally, thanks to a rich structure of dependency between variables learnt from the data, the DBN has the most convincing performances and demonstrates both the best performance and the most faithful multimodal coordination to the original multimodal events.L'interaction face-à-face représente une des formes les plus fondamentales de la communication humaine. C'est un système dynamique multimodal et couplé – impliquant non seulement la parole mais de nombreux segments du corps dont le regard, l'orientation de la tête, du buste et du corps, les gestes faciaux et brachio-manuels, etc – d'une grande complexité. La compréhension et la modélisation de ce type de communication est une étape cruciale dans le processus de la conception des agents interactifs capables d'engager des conversations crédibles avec des partenaires humains. Concrètement, un modèle de comportement multimodal destiné aux agents sociaux interactifs fait face à la tâche complexe de générer un comportement multimodal étant donné une analyse de la scène et une estimation incrémentale des objectifs conjoints visés au cours de la conversation. L'objectif de cette thèse est de développer des modèles de comportement multimodal pour permettre aux agents artificiels de mener une communication co-verbale pertinente avec un partenaire humain. Alors que l'immense majorité des travaux dans le domaine de l'interaction humain-agent repose essentiellement sur des modèles à base de règles, notre approche se base sur la modélisation statistique des interactions sociales à partir de traces collectées lors d'interactions exemplaires, démontrées par des tuteurs humains. Dans ce cadre, nous introduisons des modèles de comportement dits "sensori-moteurs", qui permettent à la fois la reconnaissance des états cognitifs conjoints et la génération des signaux sociaux d'une manière incrémentale. En particulier, les modèles de comportement proposés ont pour objectif d'estimer l'unité d'interaction (IU) dans laquelle sont engagés de manière conjointe les interlocuteurs et de générer le comportement co-verbal du tuteur humain étant donné le comportement observé de son/ses interlocuteur(s). Les modèles proposés sont principalement des modèles probabilistes graphiques qui se basent sur les chaînes de markov cachés (HMM) et les réseaux bayésiens dynamiques (DBN). Les modèles ont été appris et évalués – notamment comparés à des classifieurs classiques – sur des jeux de données collectés lors de deux différentes interactions face-à-face. Les deux interactions ont été soigneusement conçues de manière à collecter, en un minimum de temps, un nombre suffisant d'exemplaires de gestion de l'attention mutuelle et de deixis multimodale d'objets et de lieux. Nos contributions sont complétées par des méthodes originales d'interprétation et d'évaluation des propriétés des modèles proposés. En comparant tous les modèles avec les vraies traces d'interactions, les résultats montrent que le modèle HMM, grâce à ses propriétés de modélisation séquentielle, dépasse les simples classifieurs en terme de performances. Les modèles semi-markoviens (HSMM) ont été également testé et ont abouti à un meilleur bouclage sensori-moteur grâce à leurs propriétés de modélisation des durées des états. Enfin, grâce à une structure de dépendances riche apprise à partir des données, le modèle DBN a les performances les plus probantes et démontre en outre la coordination multimodale la plus fidèle aux évènements multimodaux originaux

Apprentissage statistique de modèles de comportement multimodal pour les agents conversationnels interactifs

Face to face interaction is one of the most fundamental forms of human communication. It is a complex multimodal and coupled dynamic system involving not only speech but of numerous segments of the body among which gaze, the orientation of the head, the chest and the body, the facial and brachiomanual movements, etc. The understanding and the modeling of this type of communication is a crucial stage for designing interactive agents capable of committing (hiring) credible conversations with human partners. Concretely, a model of multimodal behavior for interactive social agents faces with the complex task of generating gestural scores given an analysis of the scene and an incremental estimation of the joint objectives aimed during the conversation. The objective of this thesis is to develop models of multimodal behavior that allow artificial agents to engage into a relevant co-verbal communication with a human partner. While the immense majority of the works in the field of human-agent interaction (HAI) is scripted using ruled-based models, our approach relies on the training of statistical models from tracks collected during exemplary interactions, demonstrated by human trainers. In this context, we introduce "sensorimotor" models of behavior, which perform at the same time the recognition of joint cognitive states and the generation of the social signals in an incremental way. In particular, the proposed models of behavior have to estimate the current unit of interaction ( IU) in which the interlocutors are jointly committed and to predict the co-verbal behavior of its human trainer given the behavior of the interlocutor(s). The proposed models are all graphical models, i.e. Hidden Markov Models (HMM) and Dynamic Bayesian Networks (DBN). The models were trained and evaluated - in particular compared with classic classifiers - using datasets collected during two different interactions. Both interactions were carefully designed so as to collect, in a minimum amount of time, a sufficient number of exemplars of mutual attention and multimodal deixis of objects and places. Our contributions are completed by original methods for the interpretation and comparative evaluation of the properties of the proposed models. By comparing the output of the models with the original scores, we show that the HMM, thanks to its properties of sequential modeling, outperforms the simple classifiers in term of performances. The semi-Markovian models (HSMM) further improves the estimation of sensorimotor states thanks to duration modeling. Finally, thanks to a rich structure of dependency between variables learnt from the data, the DBN has the most convincing performances and demonstrates both the best performance and the most faithful multimodal coordination to the original multimodal events.L'interaction face-à-face représente une des formes les plus fondamentales de la communication humaine. C'est un système dynamique multimodal et couplé – impliquant non seulement la parole mais de nombreux segments du corps dont le regard, l'orientation de la tête, du buste et du corps, les gestes faciaux et brachio-manuels, etc – d'une grande complexité. La compréhension et la modélisation de ce type de communication est une étape cruciale dans le processus de la conception des agents interactifs capables d'engager des conversations crédibles avec des partenaires humains. Concrètement, un modèle de comportement multimodal destiné aux agents sociaux interactifs fait face à la tâche complexe de générer un comportement multimodal étant donné une analyse de la scène et une estimation incrémentale des objectifs conjoints visés au cours de la conversation. L'objectif de cette thèse est de développer des modèles de comportement multimodal pour permettre aux agents artificiels de mener une communication co-verbale pertinente avec un partenaire humain. Alors que l'immense majorité des travaux dans le domaine de l'interaction humain-agent repose essentiellement sur des modèles à base de règles, notre approche se base sur la modélisation statistique des interactions sociales à partir de traces collectées lors d'interactions exemplaires, démontrées par des tuteurs humains. Dans ce cadre, nous introduisons des modèles de comportement dits "sensori-moteurs", qui permettent à la fois la reconnaissance des états cognitifs conjoints et la génération des signaux sociaux d'une manière incrémentale. En particulier, les modèles de comportement proposés ont pour objectif d'estimer l'unité d'interaction (IU) dans laquelle sont engagés de manière conjointe les interlocuteurs et de générer le comportement co-verbal du tuteur humain étant donné le comportement observé de son/ses interlocuteur(s). Les modèles proposés sont principalement des modèles probabilistes graphiques qui se basent sur les chaînes de markov cachés (HMM) et les réseaux bayésiens dynamiques (DBN). Les modèles ont été appris et évalués – notamment comparés à des classifieurs classiques – sur des jeux de données collectés lors de deux différentes interactions face-à-face. Les deux interactions ont été soigneusement conçues de manière à collecter, en un minimum de temps, un nombre suffisant d'exemplaires de gestion de l'attention mutuelle et de deixis multimodale d'objets et de lieux. Nos contributions sont complétées par des méthodes originales d'interprétation et d'évaluation des propriétés des modèles proposés. En comparant tous les modèles avec les vraies traces d'interactions, les résultats montrent que le modèle HMM, grâce à ses propriétés de modélisation séquentielle, dépasse les simples classifieurs en terme de performances. Les modèles semi-markoviens (HSMM) ont été également testé et ont abouti à un meilleur bouclage sensori-moteur grâce à leurs propriétés de modélisation des durées des états. Enfin, grâce à une structure de dépendances riche apprise à partir des données, le modèle DBN a les performances les plus probantes et démontre en outre la coordination multimodale la plus fidèle aux évènements multimodaux originaux

Sociophonologie de l'anglais contemporain en Nouvelle-Zélande : corpus et dynamique des systèmes

This thesis offers a multidimensional description (phonological, phonetic-acoustic and sociolinguistic) of the phonetic and phonological characteristics of contemporary New Zealand English (NZE) as well as a theoretical and empirical study of its evolution. Our work fits into the framework of the PAC program (Phonology of Contemporary English: usage, varieties and structure) and is based on the recent and authentic data collected for the PAC New Zealand corpus recorded in Dunedin, the capital of Otago, in the south of the South island of New Zealand. Our analysis focuses on two phenomena that allow us to study variation and change in NZE: rhoticity and sandhi-r, as well as vocalic shifts, which notably involve the short front vowels in the lexical sets of KIT, DRESS and TRAP. On the basis of a phonetic-acoustic study of the vowels produced by the PAC-NZ informants, we provide an account of the shifts involving these vowels within the framework of Dependency Phonology. We also integrate a theoretical reflection on the linguistic and sociolinguistic accounts that have been presented in the literature on linguistic change generally and on the evolution of NZE specifically, and show that it is necessary to take internal as well as external factors into account when modeling the evolution of a variety such as contemporary NZE.La présente thèse propose une description multidimensionnelle (phonologique, phonéticoacoustique et sociolinguistique) des caractéristiques phonético-phonologiques de l’anglais néo-zélandais (NZE) contemporain ainsi qu’une étude théorique et empirique de l’évolution de cette variété. Notre travail de recherche s’inscrit dans le cadre du programme PAC (Phonologie de l’Anglais Contemporain : usages, variétés et structure) et se fonde sur les données authentiques et récentes du corpus PAC Nouvelle-Zélande que nous avons constitué à Dunedin, la capitale de l’Otago, au sud de l’île du Sud de la Nouvelle-Zélande. Notre analyse se concentre sur deux phénomènes qui permettent d’étudier la variation et le changement en NZE : la rhoticité et le ‘r’ de sandhi, ainsi que les changements vocaliques impliquant notamment les voyelles antérieures brèves des ensembles lexicaux KIT, DRESS et TRAP. En nous appuyant sur une étude phonético-acoustique des voyelles produites par les locuteurs du corpus PAC-NZ, nous proposons une modélisation des changements impliquant ces voyelles dans le cadre de la Phonologie de Dépendance. Nous intégrons également une réflexion théorique sur les modélisations linguistiques et sociolinguistiques qui ont été proposées dans la littérature sur le changement linguistique en général, et sur l’évolution du NZE en particulier, et montrons la nécessité d’intégrer des facteurs internes et externes pour rendre compte de l’évolution d’une variété comme le NZE contemporain