Représentation d'objets dans des espaces de caractéristiques locales : application à la poursuite de cibles temps-réel et à la détection

Object representation in local feature spaces : application to real-time tracking and detection

• Auteur / Autrice : Antoine Tran
• Direction : Antoine Manzanera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 25/10/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau). Unité d'Informatique et d'Ingénierie des Systèmes - Unité d'Informatique et d'Ingénierie des Systèmes / ENSTA ParisTech U2IS
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau ; 1970 -....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Achard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Manzanera, Stéphane Herbin, Véronique Serfaty
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Miguet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vision par ordinateur

Mots clés libres

Vision par ordinateur

Espace de caractéristiques locales

Poursuite de cibles

Détecrtion d'objets

Transformée de Hough

Computer vision

Local feature space

Object tracking

Object detection

Hough Transform

Résumé

La représentation visuelle est un problème fondamental en vision par ordinateur. Le but est de réduire l'information au strict nécessaire pour une tâche désirée. Plusieurs types de représentation existent, comme les caractéristiques de couleur (histogrammes, attributs de couleurs...), de forme (dérivées, points d'intérêt...) ou d'autres, comme les bancs de filtres.Les caractéristiques bas-niveau (locales) sont rapides à calculer. Elles ont un pouvoir de représentation limité, mais leur généricité présente un intérêt pour des systèmes autonomes et multi-tâches, puisque les caractéristiques haut-niveau découlent d'elles.Le but de cette thèse est de construire puis d'étudier l'impact de représentations fondées seulement sur des caractéristiques locales de bas-niveau (couleurs, dérivées spatiales) pour deux tâches : la poursuite d'objets génériques, nécessitant des caractéristiques robustes aux variations d'aspect de l'objet et du contexte au cours du temps; la détection d'objets, où la représentation doit décrire une classe d'objets en tenant compte des variations intra-classe. Plutôt que de construire des descripteurs d'objets globaux dédiés, nous nous appuyons entièrement sur les caractéristiques locales et sur des mécanismes statistiques flexibles visant à estimer leur distribution (histogrammes) et leurs co-occurrences (Transformée de Hough Généralisée). La Transformée de Hough Généralisée (THG), créée pour la détection de formes quelconques, consiste à créer une structure de données représentant un objet, une classe... Cette structure, d'abord indexée par l'orientation du gradient, a été étendue à d'autres caractéristiques. Travaillant sur des caractéristiques locales, nous voulons rester proche de la THG originale.En poursuite d'objets, après avoir présenté nos premiers travaux, combinant la THG avec un filtre particulaire (utilisant un histogramme de couleurs), nous présentons un algorithme plus léger et rapide (100fps), plus précis et robuste. Nous présentons une évaluation qualitative et étudierons l'impact des caractéristiques utilisées (espace de couleur, formulation des dérivées partielles...). En détection, nous avons utilisé l'algorithme de Gall appelé forêts de Hough. Notre but est de réduire l'espace de caractéristiques utilisé par Gall, en supprimant celles de type HOG, pour ne garder que les dérivées partielles et les caractéristiques de couleur. Pour compenser cette réduction, nous avons amélioré deux étapes de l'entraînement : le support des descripteurs locaux (patchs) est partiellement produit selon une mesure géométrique, et l'entraînement des nœuds se fait en générant une carte de probabilité spécifique prenant en compte les patchs utilisés pour cette étape. Avec l'espace de caractéristiques réduit, le détecteur n'est pas plus précis. Avec les mêmes caractéristiques que Gall, sur une même durée d'entraînement, nos travaux ont permis d'avoir des résultats identiques, mais avec une variance plus faible et donc une meilleure répétabilité.

Visual representation is a fundamental problem in computer vision. The aim is to reduce the information to the strict necessary for a query task. Many types of representation exist, like color features (histograms, color attributes...), shape ones (derivatives, keypoints...) or filterbanks.Low-level (and local) features are fast to compute. Their power of representation are limited, but their genericity have an interest for autonomous or multi-task systems, as higher level ones derivate from them. We aim to build, then study impact of low-level and local feature spaces (color and derivatives only) for two tasks: generic object tracking, requiring features robust to object and environment's aspect changes over the time; object detection, for which the representation should describe object class and cope with intra-class variations.Then, rather than using global object descriptors, we use entirely local features and statisticals mecanisms to estimate their distribution (histograms) and their co-occurrences (Generalized Hough Transform).The Generalized Hough Transform (GHT), created for detection of any shape, consists in building a codebook, originally indexed by gradient orientation, then to diverse features, modeling an object, a class. As we work on local features, we aim to remain close to the original GHT.In tracking, after presenting preliminary works combining the GHT with a particle filter (using color histograms), we present a lighter and fast (100 fps) tracker, more accurate and robust.We present a qualitative evaluation and study the impact of used features (color space, spatial derivative formulation).In detection, we used Gall's Hough Forest. We aim to reduce Gall's feature space and discard HOG features, to keep only derivatives and color ones.To compensate the reduction, we enhanced two steps: the support of local descriptors (patches) are partially chosen using a geometrical measure, and node training is done by using a specific probability map based on patches used at this step.With reduced feature space, the detector is less accurate than with Gall's feature space, but for the same training time, our works lead to identical results, but with higher stability and then better repeatability.