Gait analysis, modelling, and comparison from unconstrained walks and viewpoints : view-rectification of body-part trajectories from monocular video sequences

L'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes à l'aide d'algorithmes de vision artificielle a récemment suscité beaucoup d'intérêt dans les domaines d'applications médicales et de surveillance. Il y a en effet plusieurs avantages à utiliser des algorithmes de vision artificielle pour faire l'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes. Par exemple, la démarche d'une personne peut être analysée et modélisée de loin en observant la personne à l'aide d'une caméra, ce qui ne requiert pas le placement de marqueurs ou de senseurs sur la personne. De plus, la coopération des personnes observées n'est pas requise, ce qui permet d'utiliser la démarche des personnes comme un facteur d'identification biométrique dans les systèmes de surveillance automatique. Les méthodes d'analyse et de modélisation de la démarche existantes comportent toutefois plusieurs limitations. Plusieurs de ces méthodes nécessitent une vue de profil des personnes puisque ce point de vue est optimal pour l'analyse et la modélisation de la démarche. La plupart de ces méthodes supposent également une distance assez grande entre les personnes et la caméra afin de limiter les effets néfastes que la projection de perspective a sur l'analyse et la modélisation de la démarche. Par ailleurs, ces méthodes ne gèrent pas les changements de direction et de vitesse dans les marches. Cela limite grandement les marches pouvant être analysées et modélisées dans les applications médicales et les applications de surveillance. L'approche proposée dans cette thèse permet d'effectuer l'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes à partir de marches et de points de vue non contraints. L'approche proposée est principalement constituée d'une méthode de rectification du point de vue qui permet de générer une vue fronto-parallèle (vue de profil) de la trajectoire imagée des membres d'une personne. Cette méthode de rectification de la vue est basée sur un modèle de marche novateur qui utilise la géométrie projective pour faire les liens spatio-temporels entre la position des membres dans la scène et leur contrepartie dans les images provenant d'une caméra. La tête et les pieds sont les seuls membres nécessaires à l'approche proposée dans cette thèse. La position et le suivi de ces membres sont automatiquement effectués par un algorithme de suivi des membres développé dans le cadre de cette thèse. L'analyse de la démarche est effectuée par une nouvelle méthode qui extrait des caractéristiques de la démarche à partir de la trajectoire rectifiée des membres. Un nouveau modèle de la démarche basé sur la trajectoire rectifiée des membres est proposé afin de permettre la modélisation et la comparaison de la démarche en utilisant les caractéristiques dynamiques de la démarche. L'approche proposée dans cette thèse est premièrement validée à l'aide de marches synthétiques comprenant plusieurs points de vue différents ainsi que des changements de direction. Les résultats de cette étape de validation montrent que la méthode de rectification de la vue fonctionne correctement, et qu'il est possible d'extraire des caractéristiques de la démarche valides à partir de la trajectoire rectifiée des membres. Par la suite, l'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes sont effectuées sur des marches réelles qui ont été acquises dans le cadre de cette thèse. Ces marches sont particulièrement difficiles à analyser et à modéliser puisqu'elles ont été effectuées près de la caméra et qu'elles comportent des changements de direction et de vitesse. Les résultats d'analyse de la démarche confirment que les caractéristiques de la démarche obtenues à l'aide de la méthode proposée sont réalistes et sont en accord avec les résultats présentés dans les études cliniques de la démarche. Les résultats de modélisation et de comparaison de la démarche démontrent qu'il est possible d'utiliser la méthode proposée pour reconnaître des personnes par leur démarche dans le contexte des applications de surveillance. Les taux de reconnaissance obtenus sont bons considérant la complexité des marches utilisées dans cette thèse.Gait analysis, modelling and comparison using computer vision algorithms has recently attracted much attention for medical and surveillance applications. Analyzing and modelling a person's gait with computer vision algorithms has indeed some interesting advantages over more traditional biometrics. For instance, gait can be analyzed and modelled at a distance by observing the person with a camera, which means that no markers or sensors have to be worn by the person. Moreover, gait analysis and modelling using computer vision algorithms does not require the cooperation of the observed people, which thus allows for using gait as a biometric in surveillance applications. Current gait analysis and modelling approaches have however severe limitations. For instance, several approaches require a side view of the walks since this viewpoint is optimal for gait analysis and modelling. Most approaches also require the walks to be observed far enough from the camera in order to avoid perspective distortion effects that would badly affect the resulting gait analyses and models. Moreover, current approaches do not allow for changes in walk direction and in walking speed, which greatly constraints the walks that can be analyzed and modelled in medical and surveillance applications. The approach proposed in this thesis aims at performing gait analysis, modelling and comparison from unconstrained walks and viewpoints in medical and surveillance applications. The proposed approach mainly consists in a novel view-rectification method that generates a fronto-parallel viewpoint (side view) of the imaged trajectories of body parts. The view-rectification method is based on a novel walk model that uses projective geometry to provide the spatio-temporal links between the body-part positions in the scene and their corresponding positions in the images. The head and the feet are the only body parts that are relevant for the proposed approach. They are automatically localized and tracked in monocular video sequences using a novel body parts tracking algorithm. Gait analysis is performed by a novel method that extracts standard gait measurements from the view-rectified body-part trajectories. A novel gait model based on body-part trajectories is also proposed in order to perform gait modelling and comparison using the dynamics of the gait. The proposed approach is first validated using synthetic walks comprising different viewpoints and changes in the walk direction. The validation results shows that the proposed view-rectification method works well, that is, valid gait measurements can be extracted from the view-rectified body-part trajectories. Next, gait analysis, modelling, and comparison is performed on real walks acquired as part of this thesis. These walks are challenging since they were performed close to the camera and contain changes in walk direction and in walking speed. The results first show that the obtained gait measurements are realistic and correspond to the gait measurements found in references on clinical gait analysis. The gait comparison results then show that the proposed approach can be used to perform gait modelling and comparison in the context of surveillance applications by recognizing people by their gait. The computed recognition rates are quite good considering the challenging walks used in this thesis

Towards A Self-calibrating Video Camera Network For Content Analysis And Forensics

Due to growing security concerns, video surveillance and monitoring has received an immense attention from both federal agencies and private firms. The main concern is that a single camera, even if allowed to rotate or translate, is not sufficient to cover a large area for video surveillance. A more general solution with wide range of applications is to allow the deployed cameras to have a non-overlapping field of view (FoV) and to, if possible, allow these cameras to move freely in 3D space. This thesis addresses the issue of how cameras in such a network can be calibrated and how the network as a whole can be calibrated, such that each camera as a unit in the network is aware of its orientation with respect to all the other cameras in the network. Different types of cameras might be present in a multiple camera network and novel techniques are presented for efficient calibration of these cameras. Specifically: (i) For a stationary camera, we derive new constraints on the Image of the Absolute Conic (IAC). These new constraints are shown to be intrinsic to IAC; (ii) For a scene where object shadows are cast on a ground plane, we track the shadows on the ground plane cast by at least two unknown stationary points, and utilize the tracked shadow positions to compute the horizon line and hence compute the camera intrinsic and extrinsic parameters; (iii) A novel solution to a scenario where a camera is observing pedestrians is presented. The uniqueness of formulation lies in recognizing two harmonic homologies present in the geometry obtained by observing pedestrians; (iv) For a freely moving camera, a novel practical method is proposed for its self-calibration which even allows it to change its internal parameters by zooming; and (v) due to the increased application of the pan-tilt-zoom (PTZ) cameras, a technique is presented that uses only two images to estimate five camera parameters. For an automatically configurable multi-camera network, having non-overlapping field of view and possibly containing moving cameras, a practical framework is proposed that determines the geometry of such a dynamic camera network. It is shown that only one automatically computed vanishing point and a line lying on any plane orthogonal to the vertical direction is sufficient to infer the geometry of a dynamic network. Our method generalizes previous work which considers restricted camera motions. Using minimal assumptions, we are able to successfully demonstrate promising results on synthetic as well as on real data. Applications to path modeling, GPS coordinate estimation, and configuring mixed-reality environment are explored