Egocentric Audio-Visual Scene Analysis : a machine learning and signal processing approach

par Xavier Alameda-Pineda

Thèse de doctorat en Mathématiques-Informatique

Sous la direction de Radu Horaud et de Florence Forbes.

Soutenue le 15-10-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble) , en partenariat avec Information Scientifique et Technique (IST) - Inria Grenoble Rhône-Alpes / INRIA Grenoble Rhône-Alpes (laboratoire) et de Laboratoire Jean Kuntzmann (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Girin.

Le jury était composé de Josep Ramon Casas.

Les rapporteurs étaient Daniel Gatica-Pérez, Nicu Sebe.

  • Titre traduit

    Analyse audio-visuelle de la scène d'un point de vue égocentrique : une approche par de l'apprentissage automatique et du traitement du signal.


  • Résumé

    Depuis les vingt dernières années, l'industrie a développé plusieurs produits commerciaux dotés de capacités auditives et visuelles. La grand majorité de ces produits est composée d'un caméscope et d'un microphone embarqué (téléphones portables, tablettes, etc). D'autres, comme la Kinect, sont équipés de capteurs de profondeur et/ou de petits réseaux de microphones. On trouve également des téléphones portables dotés d'un système de vision stéréo. En même temps, plusieurs systèmes orientés recherche sont apparus (par exemple, le robot humanoïde NAO). Du fait que ces systèmes sont compacts, leurs capteurs sont positionnés près les uns des autres. En conséquence, ils ne peuvent pas capturer la scène complète, mais qu'un point de vue très particulier de l'interaction sociale en cours. On appelle cela "Analyse Égocentrique de Scènes Audio-Visuelles''.Cette thèse contribue à cette thématique de plusieurs façons. D'abord, en fournissant une base de données publique qui cible des applications comme la reconnaissance d'actions et de gestes, localisation et suivi d'interlocuteurs, analyse du tour de parole, localisation de sources auditives, etc. Cette base a été utilisé en dedans et en dehors de cette thèse. Nous avons aussi travaillé le problème de la détection d'événements audio-visuels. Nous avons montré comme la confiance en une des modalités (issue de la vision en l'occurrence), peut être modélisée pour biaiser la méthode, en donnant lieu à un algorithme d'espérance-maximisation visuellement supervisé. Ensuite, nous avons modifié l'approche pour cibler la détection audio-visuelle d'interlocuteurs en utilisant le robot humanoïde NAO. En parallèle aux travaux en détection audio-visuelle d'interlocuteurs, nous avons développé une nouvelle approche pour la reconnaissance audio-visuelle de commandes. Nous avons évalué la qualité de plusieurs indices et classeurs, et confirmé que l'utilisation des données auditives et visuelles favorise la reconnaissance, en comparaison aux méthodes qui n'utilisent que l'audio ou que la vidéo. Plus tard, nous avons cherché la meilleure méthode pour des ensembles d'entraînement minuscules (5-10 observations par catégorie). Il s'agit d'un problème intéressant, car les systèmes réels ont besoin de s'adapter très rapidement et d'apprendre de nouvelles commandes. Ces systèmes doivent être opérationnels avec très peu d'échantillons pour l'usage publique. Pour finir, nous avons contribué au champ de la localisation de sources sonores, dans le cas particulier des réseaux coplanaires de microphones. C'est une problématique importante, car la géométrie du réseau est arbitraire et inconnue. En conséquence, cela ouvre la voie pour travailler avec des réseaux de microphones dynamiques, qui peuvent adapter leur géométrie pour mieux répondre à certaines tâches. De plus, la conception des produits commerciaux peut être contrainte de façon que les réseaux linéaires ou circulaires ne sont pas bien adaptés.


  • Résumé

    Along the past two decades, the industry has developed several commercial products with audio-visual sensing capabilities. Most of them consists on a videocamera with an embedded microphone (mobile phones, tablets, etc). Other, such as Kinect, include depth sensors and/or small microphone arrays. Also, there are some mobile phones equipped with a stereo camera pair. At the same time, many research-oriented systems became available (e.g., humanoid robots such as NAO). Since all these systems are small in volume, their sensors are close to each other. Therefore, they are not able to capture de global scene, but one point of view of the ongoing social interplay. We refer to this as "Egocentric Audio-Visual Scene Analysis''.This thesis contributes to this field in several aspects. Firstly, by providing a publicly available data set targeting applications such as action/gesture recognition, speaker localization, tracking and diarisation, sound source localization, dialogue modelling, etc. This work has been used later on inside and outside the thesis. We also investigated the problem of AV event detection. We showed how the trust on one of the modalities (visual to be precise) can be modeled and used to bias the method, leading to a visually-supervised EM algorithm (ViSEM). Afterwards we modified the approach to target audio-visual speaker detection yielding to an on-line method working in the humanoid robot NAO. In parallel to the work on audio-visual speaker detection, we developed a new approach for audio-visual command recognition. We explored different features and classifiers and confirmed that the use of audio-visual data increases the performance when compared to auditory-only and to video-only classifiers. Later, we sought for the best method using tiny training sets (5-10 samples per class). This is interesting because real systems need to adapt and learn new commands from the user. Such systems need to be operational with a few examples for the general public usage. Finally, we contributed to the field of sound source localization, in the particular case of non-coplanar microphone arrays. This is interesting because the geometry of the microphone can be any. Consequently, this opens the door to dynamic microphone arrays that would adapt their geometry to fit some particular tasks. Also, because the design of commercial systems may be subject to certain constraints for which circular or linear arrays are not suited.


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