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

Detection of major ASL sign types in continuous signing for ASL recognition

In American Sign Language (ASL) as well as other signed languages, different classes of signs (e.g., lexical signs, fingerspelled signs, and classifier constructions) have different internal structural properties. Continuous sign recognition accuracy can be improved through use of distinct recognition strategies, as well as different training datasets, for each class of signs. For these strategies to be applied, continuous signing video needs to be segmented into parts corresponding to particular classes of signs. In this paper we present a multiple instance learning-based segmentation system that accurately labels 91.27% of the video frames of 500 continuous utterances (including 7 different subjects) from the publicly accessible NCSLGR corpus (Neidle and Vogler, 2012). The system uses novel feature descriptors derived from both motion and shape statistics of the regions of high local motion. The system does not require a hand tracker

Implementation of an Automatic Sign Language Lexical Annotation Framework based on Propositional Dynamic Logic

International audienceIn this paper, we present the implementation of an automatic Sign Language (SL) sign annotation framework based on a formal logic, the Propositional Dynamic Logic (PDL). Our system relies heavily on the use of a specific variant of PDL, the Propositional Dynamic Logic for Sign Language (PDLSL), which lets us describe SL signs as formulae and corpora videos as labeled transition systems (LTSs). Here, we intend to show how a generic annotation system can be constructed upon these underlying theoretical principles, regardless of the tracking technologies available or the input format of corpora. With this in mind, we generated a development framework that adapts the system to specific use cases. Furthermore, we present some results obtained by our application when adapted to one distinct case, 2D corpora analysis with pre-processed tracking information. We also present some insights on how such a technology can be used to analyze 3D real-time data, captured with a depth device

Using formal logic to represent sign language phonetics in semi-automatic annotation tasks

This thesis presents a formal framework for the representation of Signed Languages (SLs), the languages of Deaf communities, in semi-automatic recognition tasks. SLs are complex visio-gestural communication systems; by using corporal gestures, signers achieve the same level of expressivity held by sound-based languages like English or French. However, unlike these, SL morphemes correspond to complex sequences of highly specific body postures, interleaved with postural changes: during signing, signers use several parts of their body simultaneously in order to combinatorially build phonemes. This situation, paired with an extensive use of the three-dimensional space, make them difficult to represent with tools already existent in Natural Language Processing (NLP) of vocal languages. For this reason, the current work presents the development of a formal representation framework, intended to transform SL video repositories (corpus) into an intermediate representation layer, where automatic recognition algorithms can work under better conditions. The main idea is that corpora can be described with a specialized Labeled Transition System (LTS), which can then be annotated with logic formulae for its study. A multi-modal logic was chosen as the basis of the formal language: the Propositional Dynamic Logic (PDL). This logic was originally created to specify and prove properties on computer programs. In particular, PDL uses the modal operators [a] and to denote necessity and possibility, respectively. For SLs, a particular variant based on the original formalism was developed: the PDL for Sign Language (PDLSL). With the PDLSL, body articulators (like the hands or head) are interpreted as independent agents; each articulator has its own set of valid actions and propositions, and executes them without influence from the others. The simultaneous execution of different actions by several articulators yield distinct situations, which can be searched over an LTS with formulae, by using the semantic rules of the logic. Together, the use of PDLSL and the proposed specialized data structures could help curb some of the current problems in SL study; notably the heterogeneity of corpora and the lack of automatic annotation aids. On the same vein, this may not only increase the size of the available datasets, but even extend previous results to new corpora; the framework inserts an intermediate representation layer which can serve to model any corpus, regardless of its technical limitations. With this, annotations is possible by defining with formulae the characteristics to annotate. Afterwards, a formal verification algorithm may be able to find those features in corpora, as long as they are represented as consistent LTSs. Finally, the development of the formal framework led to the creation of a semi-automatic annotator based on the presented theoretical principles. Broadly, the system receives an untreated corpus video, converts it automatically into a valid LTS (by way of some predefined rules), and then verifies human-created PDLSL formulae over the LTS. The final product, is an automatically generated sub-lexical annotation, which can be later corrected by human annotators for their use in other areas such as linguistics.Cette thèse présente le développement d'un framework formel pour la représentation des Langues de Signes (LS), les langages des communautés Sourdes, dans le cadre de la construction d'un système de reconnaissance automatique. Les LS sont de langues naturelles, qui utilisent des gestes et l'espace autour du signeur pour transmettre de l'information. Cela veut dire que, à différence des langues vocales, les morphèmes en LS ne correspondent pas aux séquences de sons; ils correspondent aux séquences de postures corporelles très spécifiques, séparés par des changements tels que de mouvements. De plus, lors du discours les signeurs utilisent plusieurs parties de leurs corps (articulateurs) simultanément, ce qui est difficile à capturer avec un système de notation écrite. Cette situation difficulté leur représentation dans de taches de Traitement Automatique du Langage Naturel (TALN). Pour ces raisons, le travail présenté dans ce document a comme objectif la construction d'une représentation abstraite de la LS; plus précisément, le but est de pouvoir représenter des collections de vidéo LS (corpus) de manière formelle. En générale, il s'agit de construire une couche de représentation intermédiaire, permettant de faire de la reconnaissance automatique indépendamment des technologies de suivi et des corpus utilisés pour la recherche. Cette couche corresponde à un système de transition d'états (STE), spécialement crée pour représenter la nature parallèle des LS. En plus, elle peut-être annoté avec de formules logiques pour son analyse, à travers de la vérification de modèles. Pour représenter les propriétés à vérifier, une logique multi-modale a été choisi : la Logique Propositionnelle Dynamique (PDL). Cette logique a été originalement crée pour la spécification de programmes. De manière plus précise, PDL permit d'utilise des opérateurs modales comme [a] et , représentant > et >, respectivement. Une variante particulaire a été développée pour les LS : la PDL pour Langue de Signes (PDLSL), qui est interprété sur des STE représentant des corpus. Avec PDLSL, chaque articulateur du corps (comme les mains et la tête) est vu comme un agent indépendant; cela veut dire que chacun a ses propres actions et propositions possibles, et qu'il peux les exécuter pour influencer une posture gestuelle. L'utilisation du framework proposé peut aider à diminuer deux problèmes importantes qui existent dans l'étude linguistique des LS : hétérogénéité des corpus et la manque des systèmes automatiques d'aide à l'annotation. De ce fait, un chercheur peut rendre exploitables des corpus existants en les transformant vers des STE. Finalement, la création de cet outil à permit l'implémentation d'un système d'annotation semi-automatique, basé sur les principes théoriques du formalisme. Globalement, le système reçoit des vidéos LS et les transforme dans un STE valide. Ensuite, un module fait de la vérification formelle sur le STE, en utilisant une base de données de formules crée par un expert en LS. Les formules représentent des propriétés lexicales à chercher dans le STE. Le produit de ce processus, est une annotation qui peut être corrigé par des utilisateurs humains, et qui est utilisable dans des domaines d'études tels que la linguistique

Using formal logic to represent sign language phonetics in semi-automatic annotation tasks

Cette thèse présente le développement d'un framework formel pour la représentation des Langues de Signes (LS), les langages des communautés Sourdes, dans le cadre de la construction d'un système de reconnaissance automatique. Les LS sont de langues naturelles, qui utilisent des gestes et l'espace autour du signeur pour transmettre de l'information. Cela veut dire que, à différence des langues vocales, les morphèmes en LS ne correspondent pas aux séquences de sons; ils correspondent aux séquences de postures corporelles très spécifiques, séparés par des changements tels que de mouvements. De plus, lors du discours les signeurs utilisent plusieurs parties de leurs corps (articulateurs) simultanément, ce qui est difficile à capturer avec un système de notation écrite. Cette situation difficulté leur représentation dans de taches de Traitement Automatique du Langage Naturel (TALN). Pour ces raisons, le travail présenté dans ce document a comme objectif la construction d'une représentation abstraite de la LS; plus précisément, le but est de pouvoir représenter des collections de vidéo LS (corpus) de manière formelle. En générale, il s'agit de construire une couche de représentation intermédiaire, permettant de faire de la reconnaissance automatique indépendamment des technologies de suivi et des corpus utilisés pour la recherche. Cette couche corresponde à un système de transition d'états (STE), spécialement crée pour représenter la nature parallèle des LS. En plus, elle peut-être annoté avec de formules logiques pour son analyse, à travers de la vérification de modèles. Pour représenter les propriétés à vérifier, une logique multi-modale a été choisi : la Logique Propositionnelle Dynamique (PDL). Cette logique a été originalement crée pour la spécification de programmes. De manière plus précise, PDL permit d'utilise des opérateurs modales comme [a] et , représentant > et >, respectivement. Une variante particulaire a été développée pour les LS : la PDL pour Langue de Signes (PDLSL), qui est interprété sur des STE représentant des corpus. Avec PDLSL, chaque articulateur du corps (comme les mains et la tête) est vu comme un agent indépendant; cela veut dire que chacun a ses propres actions et propositions possibles, et qu'il peux les exécuter pour influencer une posture gestuelle. L'utilisation du framework proposé peut aider à diminuer deux problèmes importantes qui existent dans l'étude linguistique des LS : hétérogénéité des corpus et la manque des systèmes automatiques d'aide à l'annotation. De ce fait, un chercheur peut rendre exploitables des corpus existants en les transformant vers des STE. Finalement, la création de cet outil à permit l'implémentation d'un système d'annotation semi-automatique, basé sur les principes théoriques du formalisme. Globalement, le système reçoit des vidéos LS et les transforme dans un STE valide. Ensuite, un module fait de la vérification formelle sur le STE, en utilisant une base de données de formules crée par un expert en LS. Les formules représentent des propriétés lexicales à chercher dans le STE. Le produit de ce processus, est une annotation qui peut être corrigé par des utilisateurs humains, et qui est utilisable dans des domaines d'études tels que la linguistique.This thesis presents a formal framework for the representation of Signed Languages (SLs), the languages of Deaf communities, in semi-automatic recognition tasks. SLs are complex visio-gestural communication systems; by using corporal gestures, signers achieve the same level of expressivity held by sound-based languages like English or French. However, unlike these, SL morphemes correspond to complex sequences of highly specific body postures, interleaved with postural changes: during signing, signers use several parts of their body simultaneously in order to combinatorially build phonemes. This situation, paired with an extensive use of the three-dimensional space, make them difficult to represent with tools already existent in Natural Language Processing (NLP) of vocal languages. For this reason, the current work presents the development of a formal representation framework, intended to transform SL video repositories (corpus) into an intermediate representation layer, where automatic recognition algorithms can work under better conditions. The main idea is that corpora can be described with a specialized Labeled Transition System (LTS), which can then be annotated with logic formulae for its study. A multi-modal logic was chosen as the basis of the formal language: the Propositional Dynamic Logic (PDL). This logic was originally created to specify and prove properties on computer programs. In particular, PDL uses the modal operators [a] and to denote necessity and possibility, respectively. For SLs, a particular variant based on the original formalism was developed: the PDL for Sign Language (PDLSL). With the PDLSL, body articulators (like the hands or head) are interpreted as independent agents; each articulator has its own set of valid actions and propositions, and executes them without influence from the others. The simultaneous execution of different actions by several articulators yield distinct situations, which can be searched over an LTS with formulae, by using the semantic rules of the logic. Together, the use of PDLSL and the proposed specialized data structures could help curb some of the current problems in SL study; notably the heterogeneity of corpora and the lack of automatic annotation aids. On the same vein, this may not only increase the size of the available datasets, but even extend previous results to new corpora; the framework inserts an intermediate representation layer which can serve to model any corpus, regardless of its technical limitations. With this, annotations is possible by defining with formulae the characteristics to annotate. Afterwards, a formal verification algorithm may be able to find those features in corpora, as long as they are represented as consistent LTSs. Finally, the development of the formal framework led to the creation of a semi-automatic annotator based on the presented theoretical principles. Broadly, the system receives an untreated corpus video, converts it automatically into a valid LTS (by way of some predefined rules), and then verifies human-created PDLSL formulae over the LTS. The final product, is an automatically generated sub-lexical annotation, which can be later corrected by human annotators for their use in other areas such as linguistics

Data-driven machine translation for sign languages

This thesis explores the application of data-driven machine translation (MT) to sign languages (SLs). The provision of an SL MT system can facilitate communication between Deaf and hearing people by translating information into the native and preferred language of the individual. We begin with an introduction to SLs, focussing on Irish Sign Language - the native language of the Deaf in Ireland. We describe their linguistics and mechanics including similarities and differences with spoken languages. Given the lack of a formalised written form of these languages, an outline of annotation formats is discussed as well as the issue of data collection. We summarise previous approaches to SL MT, highlighting the pros and cons of each approach. Initial experiments in the novel area of example-based MT for SLs are discussed and an overview of the problems that arise when automatically translating these manual-visual languages is given. Following this we detail our data-driven approach, examining the MT system used and modifications made for the treatment of SLs and their annotation. Through sets of automatically evaluated experiments in both language directions, we consider the merits of data-driven MT for SLs and outline the mainstream evaluation metrics used. To complete the translation into SLs, we discuss the addition and manual evaluation of a signing avatar for real SL output

Linguistic annotation in/for corpus linguistics

This article surveys linguistic annotation in corpora and corpus linguistics. We first define the concept of 'corpus ' as a radial category and then, in Section 2, discuss a variety of kinds of information for which corpora are annotated and that are exploited in contemporary corpus linguistics. Section 3 then exemplifies many current formats of annotation with an eye to highlighting both the diversity of formats currently available and the emergence of XML annotation as, for now, the most widespread form of annotation. Section 4 summarizes and concludes with desiderata for future developments.