Contributions to biometrics : curvatures, heterogeneous cross-resolution FR and anti spoofing

par Yinhang Tang

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Jean-Marie Morvan.

Soutenue le 16-12-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon , en partenariat avec École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de ICJ - Institut Camille Jordan (Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Alice Caplier.

Le jury était composé de Jean-Marie Morvan, Liming Chen.

Les rapporteurs étaient Boulbaba Ben Amor, Jean-Luc Dugelay.


  • Résumé

    Visage est l’une des meilleures biométries pour la reconnaissance de l’identité de personnes, car l’identification d’une personne par le visage est l’habitude instinctive humaine, et l’acquisition de données faciales est naturelle, non intrusive et bien acceptée par le public. Contrairement à la reconnaissance de visage par l’image 2D sur l’apparence, la reconnaissance de visage en 3D sur la forme est théoriquement plus stable et plus robuste à la variance d’éclairage, aux petits changements de pose de la tête et aux cosmétiques pour le visage. Spécifiquement, les courbures sont les plus importants attributs géométriques pour décrire la forme géométrique d’une surface. Elles sont bénéfiques à la caractérisation de la forme du visage qui permet de diminuer l’impact des variances environnementales. Cependant, les courbures traditionnelles ne sont définies que sur des surfaces lisses. Il est donc nécessaire de généraliser telles notions sur des surfaces discrètes, par exemple des visages 3D représenté par maillage triangulaire, et d’évaluer leurs performances en reconnaissance de visage 3D. En outre, même si un certain nombre d’algorithmes 3D FR avec une grande précision sont disponibles, le coût d’acquisition de telles données de haute résolution est difficilement acceptable pour les applications pratiques. Une question majeure est donc d’exploiter les algorithmes existants pour la reconnaissance de modèles à faible résolution collecté avec l’aide d’un nombre croissant de caméras consommateur de profondeur (Kinect). Le dernier problème, mais non le moindre, est la menace sur sécurité des systèmes de reconnaissance de visage 3D par les attaques de masque fabriqué. Cette thèse est consacrée à l’étude des attributs géométriques, des mesures de courbure principale, adaptées aux maillages triangulaires, et des schémas de reconnaissance de visage 3D impliquant des telles mesures de courbure principale. En plus, nous proposons aussi un schéma de vérification sur la reconnaissance de visage 3D collecté en comparant des modèles de résolutions hétérogènes équipement aux deux résolutions, et nous évaluons la performance anti-spoofing du système de RF 3D. Finalement, nous proposons une biométrie système complémentaire de reconnaissance veineuse de main basé sur la détection de vivacité et évaluons sa performance. Dans la reconnaissance de visage 3D par la forme géométrique, nous introduisons la généralisation des courbures principales conventionnelles et des directions principales aux cas des surfaces discrètes à maillage triangulaire, et présentons les concepts des mesures de courbure principale correspondants et des vecteurs de courbure principale. Utilisant ces courbures généralisées, nous élaborons deux descriptions de visage 3D et deux schémas de reconnaissance correspondent. Avec le premier descripteur de caractéristiques, appelé Local Principal Curvature Measures Pattern (LPCMP), nous générons trois images spéciales, appelée curvature faces, correspondant à trois mesures de courbure principale et encodons les curvature faces suivant la méthode de Local Binary Pattern. Il peut décrire la surface faciale de façon exhaustive par l’information de forme locale en concaténant un ensemble d’histogrammes calculés à partir de petits patchs dans les visages de courbure. Dans le deuxième système de reconnaissance de visage 3D sans enregistrement, appelée Principal Curvature Measures based meshSIFT descriptor (PCM-meshSIFT), les mesures de courbure principales sont d’abord calculées dans l’espace de l’échelle Gaussienne, et les extrèmes de la Différence de Courbure (DoC) sont définis comme les points de caractéristique. Ensuite, nous utilisons trois mesures de courbure principales et leurs vecteurs de courbure principaux correspondants pour construire trois descripteurs locaux pour chaque point caractéristique, qui sont invariants en rotation. [...]

  • Titre traduit

    Contributions à la biométrie : courbures, reconnaissance du visage sur résolutions transversales hétérologues et anti-spoofing


  • Résumé

    Face is one of the best biometrics for person recognition related application, because identifying a person by face is human instinctive habit, and facial data acquisition is natural, non-intrusive, and socially well accepted. In contrast to traditional appearance-based 2D face recognition, shape-based 3D face recognition is theoretically more stable and robust to illumination variance, small head pose changes, and facial cosmetics. The curvatures are the most important geometric attributes to describe the shape of a smooth surface. They are beneficial to facial shape characterization which makes it possible to decrease the impact of environmental variances. However, exiting curvature measurements are only defined on smooth surface. It is required to generalize such notions to discrete meshed surface, e.g., 3D face scans, and to evaluate their performance in 3D face recognition. Furthermore, even though a number of 3D FR algorithms with high accuracy are available, they all require high-resolution 3D scans whose acquisition cost is too expensive to prevent them to be implemented in real-life applications. A major question is thus how to leverage the existing 3D FR algorithms and low-resolution 3D face scans which are readily available using an increasing number of depth-consumer cameras, e.g., Kinect. The last but not least problem is the security threat from spoofing attacks on 3D face recognition system. This thesis is dedicated to study the geometric attributes, principal curvature measures, suitable to triangle meshes, and the 3D face recognition schemes involving principal curvature measures. Meanwhile, based on these approaches, we propose a heterogeneous cross-resolution 3D FR scheme, evaluate the anti-spoofing performance of shape-analysis based 3D face recognition system, and design a supplementary hand-dorsa vein recognition system based on liveness detection with discriminative power. In 3D shape-based face recognition, we introduce the generalization of the conventional point-wise principal curvatures and principal directions for fitting triangle mesh case, and present the concepts of principal curvature measures and principal curvature vectors. Based on these generalized curvatures, we design two 3D face descriptions and recognition frameworks. With the first feature description, named as Local Principal Curvature Measures Pattern descriptor (LPCMP), we generate three curvature faces corresponding to three principal curvature measures, and encode the curvature faces following Local Binary Pattern method. It can comprehensively describe the local shape information of 3D facial surface by concatenating a set of histograms calculated from small patches in the encoded curvature faces. In the second registration-free feature description, named as Principal Curvature Measures based meshSIFT descriptor (PCM-meshSIFT), the principal curvature measures are firstly computed in the Gaussian scale space, and the extremum of Difference of Curvautre (DoC) is defined as keypoints. Then we employ three principal curvature measures and their corresponding principal curvature vectors to build three rotation-invariant local 3D shape descriptors for each keypoint, and adopt the sparse representation-based classifier for keypoint matching. The comprehensive experimental results based on FRGCv2 database and Bosphorus database demonstrate that our proposed 3D face recognition scheme are effective for face recognition and robust to poses and occlusions variations. Besides, the combination of the complementary shape-based information described by three principal curvature measures significantly improves the recognition ability of system. To deal with the problem towards heterogeneous cross-resolution 3D FR, we continuous to adopt the PCM-meshSIFT based feature descriptor to perform the related 3D face recognition. [...]


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Informations

  • Sous le titre : Contributions to biometrics : curvatures, heterogeneous cross-resolution FR and anti spoofing
  • Détails : 1 vol. (xxii-193 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. [171]-192
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