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