Solution à base de contexte

Comme nous venons de le voir, l'élaboration d'un système capable de gérer efficacement des séquences d'images pour le suivi de personnes ou la représentation de scènes repose sur une division préalable des problèmes. Cette séparation des différents problèmes nous est imposée (cf. section 1.) par l'introduction, dans les traitements, d'algorithmes capables de résoudre certains problèmes particuliers. Nous allons voir dans cette section, que la résolution des problèmes évoqués dans la section 1 requiert non seulement une classification claire des difficultés et une subdivision des taches, mais aussi un apport de connaissances externes. C'est sur cette idée que repose une nouvelle solution logicielle, élaborée durant le stage, dont le fondement est l'apport de connaissance divisible en deux points que sont l'information externe concernant les humains et l'information externe concernant la scène 3D.

Nous verrons dans un premier temps une solution réalisée en 1996, dans le cadre du projet ESPRIT PASSWORD dont l'architecture fut le point de départ de la réalisation du stage. Ensuite, nous détaillerons cette réalisation ainsi que les différents modèle de connaissances externes qu'elle utilise.

Le logiciel de départ

Nous allons, dans ce qui suit, décrire le système opérationnel de traitement de séquences d'images pour le suivi de personnes qui est à la base des réalisations actuelles. Ce système constitue un point de départ en matière d'architecture logicielle et en matière de sensibilité aux changement de contexte (cf.figure 2) .

**Figure:** la détection par seuillage paramétré
$\includegraphics[width=14cm]{images/img_proc.eps}$

La détection

La technique utilisée pour l'extraction de régions d'intérêt est la méthode de combinaison d'images avec image de référence. Après une phase de seuillage paramétré (cf.figure 15) et une série de filtrages (érosion et dilatation), chacune des images fournit un ensemble de régions de taille et de caractéristiques très diverses.

La reconnaissance

L'étape de reconnaissance utilise un modèle d'objets basé sur l'apparence définie dans le plan image 2D par deux degrés de liberté non-contraints que sont la hauteur et la largeur. L'algorithme décidant de l'existence d'un objet consiste en un appariement global des régions. Les techniques utilisées pour recomposer les régions d'intérêt sont basées sur deux critères: Deux régions dont les boites englobantes se recouvrent sont fusionnées. Les régions faiblement éloignées sur l'axe vertical sont aussi fusionnées. Cette technique a pour but de lutter contre les problèmes de seuillage trop contraint ainsi que les problèmes d'occultations statiques partielles.

L'appariement temporel

La méthode de suivi se base sur un critère de recouvrement. Deux régions de deux images consécutives sont considérées comme provenant du même objet si il existe un recouvrement spatial entre les deux. Il en résulte un graphe temporel G(S, A) des objets de la scène où S constitue l'ensemble des objets détectés à chaque image et A l'ensemble des filiations entre les détections au cours du temps. Cette filiation mettant en évidence la correspondance d'un objet de la scène entre deux images consécutives. Cette représentation très intéressante constitue un des points forts du système.

Les conclusions

Après avoir détaillé l'architecture de ce logiciel à travers la division classique des problèmes exposés dans la section 2, nous allons analyser ses lacunes à travers la grille de lecture présentée dans la section 1. Les problèmes d'incertitudes, tout d'abord, sont globalement gérés par un savant paramétrage. Le choix d'un <<bon>> paramètre lors des phases de dilatation et d'érosion permet de minimiser l'influence du bruit inhérent aux images. Le choix d'un <<bon>> paramètre lors de la phase de seuillage de l'image de différence permet aussi de réduire l'effet des ombrages sur le sol. Malheureusement, ce paramètre de seuillage intervient aussi dans la résolution des problèmes liés à l'incertitude objet. Un seuil élevé (30 sur 255) réduit l'effet des ombres mais augmente l'incertitude de la détection des objets eux-meme. Inversement, un seuil bas (15 ou 20 sur 255) donne une détection nette des objets mobiles mais rend le système très sensible aux ombres. Globalement, le problème d'incertitude est contraint par l'utilisation d'un paramètre <<aveugle>> réglé de façon externe. De plus, l'utilisation de paramètre diminue l'adaptabilité du logiciel, dans le sens où seule l'expertise de spécialistes en vision permet de définir de tels seuils.

Les règles de fusion des régions mobiles (proximité des régions) sont une tentative de gestion des problèmes d'occultations statiques applicables dans des cas de scènes très précises. Cette hypothèse est valide, si les objets de la scène évoluent dans le même plan avec une caméra respectant une certaine distance (une dizaine de mètres) et une certaine inclinaison (environ 45 degrés) par rapport au plan de référence de la scène. Dans les autres cas les règles de fusion ne sont pas très robustes. Les occultations dynamiques ne sont absolument pas gérées.

Les problèmes de suivi sont contingentés par l'utilisation du critère de recouvrement spatial. Si deux régions de deux images consécutives ont des pixels communs alors ils sont considérés comme provenant du même objet. Ce critère est valide dans une séquence d'images avec une fréquence d'acquisition d'image suffisante si l'on considère des personnes marchant normalement. Expérimentalement, ce critère se révèle suffisant pour des scènes peu encombrées, constituées de personnes indépendantes. Dans le cas de scènes encombrées le graphe d'appariement temporel devient rapidement inexploitable. L'existence de groupe de gens ne peut être traitée par ce critère dans la mesure où plusieurs objets partagent fréquemment le même espace du plan image. Les problèmes de mélange et d'éclatement de pistes sont parmi les plus lourds handicaps de ce système.

Pour résumer, le défaut majeur du système est sa faible adaptabilité au changement de scènes. Il est clair, que certaines des orientations prises sont basées sur des hypothèses contextuelles (réparation des occultations statiques par exemple). La non-utilisation de modèle d'objet, bien qu'elle fournisse un résultat non biaisé, est aussi problématique dans le sens où les résultats obtenus sont difficilement qualifiables rendant particulièrement difficile l'étape de suivi (Lorsqu'un éclatement de piste est observé, par exemple, il est difficile de décider si il est légitime ou non). Il s'impose alors de relier ces hypothèses à un cadre précis à partir duquel puisse être qualifiées ces connaissances. De façon générique, ce cadre correspond à celui de connaissances contextuelles. Nous allons donc dans la suite détailler l'organisation de telles connaissances utilisables par un système informatique capable de résoudre plus efficacement les problèmes de ce logiciel.

Les contributions

La suite constitue la contribution du stage a l'élaboration d'un système de traitement de séquences d'image adaptatif et robuste. Nous avons montrer plus avant la nécessité d'introduire de l'information contextuelle dans les traitements. Nous verrons dans un premier point quelques définitions de ce que nous appellerons par la suite le contexte, puis nous détaillerons le nouveau système.

Le contexte statique

[22] décrit les différents niveaux informations engagées dans le traitement de séquences d'images. L'auteur distingue trois niveaux: les connaissances principales, l'information contextuelle et l'information factuelle. Les connaissances principales sont toujours valides, ne changent pas selon l'application et durant le processus. L'information contextuelle est invariante durant le processus, mais varie en fonction de l'application. Les informations factuelles, enfin, varient non-seulement à chaque application mais aussi durant les traitements. Dans [4] on trouve une définition plus formelle de la notion de contexte. Selon l'auteur, peut être considérée comme information de contexte, toute information qui :

**Figure:** Les scènes
$\includegraphics[width=13cm]{images/img_scenes.eps}$

En pratique, le contexte statique se définit par un ensemble de référentiels et un ensemble d'objets. Les objets sont ceux de la scène réelle considérés comme fixes (cf. figure 16). Les référentiels sont ceux impliqués dans les traitements; on trouve au minimum le référentiel image 2D et le référentiel scène 3D. Les connaissances contextuelles sont alors organisées autour de ces deux thèmes avec tous les processus de mise en correspondance souhaitable. Les processus minimum sont les mécanismes de passage d'un référentiel à un autre et aussi les correspondances des objets réels dans les divers référentiels. L'existence d'une telle organisation apporte la possibilité d'obtenir des informations supplémentaires sur les objets mobiles dans les autres référentiels que celui de l'image 2D.

En pratique, il est alors possible d'obtenir des mesures 3D et des localisations 3D des objets mobiles permettant l'utilisation de modèles non directement liés à l'application échappant ainsi au problème de paramétrisation. La connaissance des mesures 3D peut être utilisée pour les calculs de distances réelles dans la scène, pour les objets mobiles ou statiques. Des informations d'entrée sortie de personne dans la scène peuvent être définies de façon robuste et utilisées de façon stable pour les étapes de reconnaissance et de suivi. L'évaluation de contexte locaux [9] rendue possible par l'existence du contexte statique facilite le traitement des occultations partielles dynamiques et statiques.

Cette structuration de l'information contextuelle des scènes permet d'améliorer les possibilités du système au niveau de la robustesse des traitements, comme nous venons de le voir, mais aussi au niveau, de l'adaptabilité des traitements. Le regroupement de l'ensemble des informations de même nature utiles à plusieurs niveaux des traitements diminue la sensibilité du système au changement de cadre. Si l'on souhaite changer la caméra de place pour une même scène seul le plan image va changer. Si l'on souhaite rajouter un caméra dans une scène existante, il suffit de rajouter un référentiel image à l'ensemble de ceux déjà existants. Si un objet considéré fixe dans la scène est modifié, il suffit alors de changer ses propriétés et ses correspondances dans l'ensemble du contexte. L'unification des informations de même nature, concernant le contexte, permet d'augmenter la robustesse et l'adaptabilité d'un système de traitement de séquences d'images.

L'instanciation du contexte statique dans le système réalisé durant le stage est constituée de trois référentiels: un 3D de la scène, un 2D de l'image, un 2D du sol. Le premier est utilisé pour les mesures 3D de l'étape de reconnaissance. Le second est la base de l'étape de détection et le troisième durant l'étape d'appariement temporel. L'utilisation d'un modèle de caméra sténopée [19] permet d'obtenir les matrices de passage en coordonnées linéaires homogènes du référentiel 3D à un référentiel 2D. Une hypothèse supplémentaire, dite du point bas, permet d'évaluer les mesures 3D d'un objet 2D de l'image. Le principe est de prendre le point bas d'une région mobile comme appartenant au plan du sol de la scène.

Les contraintes fortes de l'emploi de contexte statique sont les problèmes de calibration de la caméra ainsi que les problèmes d'acquisition de l'information contextuelle, lourde à mettre en oeuvre. L'hypothèse du point bas n'est pas forcément valide si les problèmes d'ombrage ne sont pas résolus.

La solution proposée, comprenant un module gérant les informations contextuelles, va être détaillé dans la suite de ce document en reprenant l'architecture détaillé dans la seconde section (cf. figure 17).

**Figure:** Une solution à base d'informations contextuelles
$\includegraphics[width=12cm]{images/img_trait_hist.eps}$

**Figure:** La distribution des valeurs prises par les paramètres du modèle humain
$\includegraphics[width=6cm]{images/humo_larg.eps}$ $\includegraphics[width=6cm]{images/humo_haut.eps}$

**Figure:** La distribution des valeurs prises par les paramètres combinés hauteur et largeur
$\includegraphics[width=6cm]{images/humo_larg-haut.eps}$

La détection

Un module spécialisé a été réalisé, intégrant la plupart des méthodes de la famille de combinaison d'images (voir sous-section 3.1.2).

Ceci permet de changer d'instance de cette classe par la modification d'un simple paramètre. En pratique, les expériences ont été réalisées par combinaison d'image avec une image de référence car la possibilité d'avoir une image de référence nous était donnée sur toutes les séquences d'images. Les expériences réalisées avec les autres méthodes donnent un résultat moins intéressant pour les algorithmes de reconnaissance utilisés dans la suite. Les méthodes (2) et (4) ont tendance à accroître le nombre des détections en segmentant une personne en trois ou quatre régions. On peut expliquer cela par le fait que les objets qui nous intéressent (les personnes) sont souvent vêtus d'habits unis non-texturés difficiles à gérer par ces méthodes. De plus ces méthodes ne sont pas sensibles au personnes immobiles dans la scène, ce qui est parfois le cas dans nos séquences. Quant à la troisième méthode, elle réunit les propriétés des méthodes (1) et (4), surévaluant la aussi le nombre de détection souhaité. Cette méthode peut être intéressante pour définir de vastes régions d'intérêt pourvu qu'elle puisse être couplée avec une méthode de reconnaissance capable de re-sélectionner parmi ses résultats.

La reconnaissance d'humain

L'accent a été mis sur la reconnaissance de personne. Pour cela le système utilise un modèle d'objet à trois paramètres. Le modèle d'objet est défini par sa vitesse, sa hauteur et sa largeur. (cf. figures 18, 19 et 22). Ces paramètres sont considérés dans le référentiel 3D-scène via le module de contexte statique. En ceci, ce modèle ne peut pas être considéré comme un modèle d'apparence mais comme un modèle d'objets réels bien qu'il n'y ait pas de considération volumique. L'instrument de la reconnaissance est un traitement par contraintes de ces mesures. On définit une borne supérieure et une borne inférieure pour chacun des degrés de liberté. Ainsi durant la phase de reconnaissance, on cherche à construire de façon itérative une combinaison de régions dont les mesures 3D ne dépassent pas les bornes supérieures du modèle. Les combinaisons, dont les mesures sont inférieures à la borne inférieures sont ensuite filtrées. Quant au troisième degrés de liberté, nous reviendrons sur son utilisation dans la section suivante concernant l'appariement temporel.
L'algorithme de reconnaissance (cf. figure 20) est donc divisé en deux étapes : une phase de construction et une phase de filtrage.

**Figure 20:** L'algorithme de reconnaissance
$\begin{figure}\textbf{Phase de construction\ :}\\ \hspace{1cm}(C1) Choix d'une... ...e{2cm}Sinon $R_3$\space est éliminée de la liste des détections\\ \end{figure}$

Quatre instances de cet algorithmes, différant par le critère de choix des étapes (C1), (C2) et (F1) ont été utilisées.

Les méthodes basées sur un ordonnancement de l'espace de recherche sont relativement similaires dans leur approche et dans leurs résultats. Ces deux méthodes ont l'avantage de fusionner prioritairement des régions proches les unes des autres. Ceci correspond à l'intuition que deux régions proches appartiennent plus facilement au même objet que deux régions éloignées. Ceci optimise donc la construction des objets mais est assez sensible à la proximité de deux personnes dans l'image. La méthode basée sur les <<focus of attention>> a comme avantage de réduire l'espace de recherche de façon drastique au départ de l'application de l'algorithme à certaines régions de l'image définies par les résultats du suivi, mais cette méthode est très sensible aux pertes de suivi. En effet, si une piste est inopportunément perdue, alors il n'y aura pas de région d'intérêt associée et donc pas de construction d'objet à l'étape suivante. L'utilisation d'un tel algorithme est problématique en soi. Bien que celui-ci limite l'explosion combinatoire lors de la recherche d'une solution en acceptant la première solution acceptable par les contraintes du modèle, il semble que de nombreuses solutions plus intéressantes échappent à l'algorithme, ce qui est préjudiciable aux étapes suivantes. L'avantage de ce modèle est l'utilisation de paramètres n'étant pas liés à l'application (i.e. les bornes Inf et Sup sont définies de façon externe.) Ceci augmente donc la robustesse et l'adaptabilité du système. Les inconvénients sont multiples. Tout d'abord l'utilisation de mesures générées par le module de contexte statique rend la décision prise sur la qualification d'un objet sensible aux erreurs faites par ce module. En pratique, on s'aperçoit que la calibration joue un rôle prépondérant. Compte tenu du matériel expérimental, notre modèle est trop imprécis (cf.figures 18, 19, 22 et 21). En effet, le seul paramètre convenable est la hauteur pour laquelle 3 % d'erreur nous autorise un intervalle de valeurs égal à [144, 196] (en centimètres), ce qui ne parait pas inexploitable. Le paramètres moyen est la vitesse (en centimètres par images à 5 images seconde). Avec trois écarts type 94 % des valeurs sont traitées. Ce qui autorise 6 % d'erreur de reconnaissance, soit un intervalle égal à [0, 65]. Ces valeurs ne paraissent ni inexploitables, ni aberrantes. Toute fois, il aurait été souhaitable d'obtenir un intervalle plus petit (au moins pour la borne Sup) pour les besoin du suivi (cf.sous-section 4.2.4). En revanche, le paramètres de largeur n'est pas satisfaisant. 4 % d' erreurs nécessite un intervalle égal à [23, 113] ce qui est trop. cette étalements des valeurs s'explique par un fort écart type (15 centimètres, soit plus d'un quatre de la moyenne) causé par la non-rigidité des objets á reconnaître (l'oscillation des bras et des jambes).

**Figure:** Les statistiques du modèle d'humain
$\includegraphics[width=8cm]{images/anal_num.eps}$

Comme le montrent les différents graphiques de données recueillis à partir de sept cents images, les trois degrés de liberté associés à notre modèle ont une trop forte variance pour servir de critère de décision fiable. Nous verrons dans les perspéctives (sous-section 5.2) des pistes pour palier à ce problème.

L'appariement temporel

Comme nous l'avons vu, les problèmes posés par l'étape de suivi du logiciel de départ étaient importants. Nous avons réalisé dans ce logiciel un module de suivi indépendant qui réalise l'appariement temporel selon différentes politiques.

La méthode basée sur la proportion de recouvrement consiste à décider que deux régions proviennent du même objet si le pourcentage de recouvrement dépasse un certain seuil. La méthode basée sur la similarité des régions consiste à décider comme provenant du même objet deux régions dont les boites englobantes sont semblables. Cette similarité entre deux boites englobantes est calculée grâce à une fonction faisant intervenir la largeur et la hauteur des régions. La méthode hybride réunit les conditions des deux méthodes précédentes soit par un Et logique soit par un Ou logique. Le point commun de ces méthodes est l'utilisation des caractéristiques 2D du modèle, la décision de suivi est prise dans le plan 2D image. Ces méthodes fournissent un résultat intéressant dans les cas d'objets proches de la caméra et relativement bien détectés. Ces méthodes n'utilisant pas d'information 3D sont indépendantes de la qualité du module de contexte. Par contre, elles n'ont aucun recours pour traiter les occultations. De plus les objets à traiter n'étant pas rigides leur variation d'apparence rend les critères d'appariement 2D peu fiables dans le cas général, notamment dans les scènes encombrées.
La méthode (4) utilise des paramètres 3D du modèle pour apparier les objets. Cette méthode de suivi est basée sur l'utilisation d'une matrice d'ambiguité (cf. figures 23) que l'on definit de la façon suivante : Soit deux images consécutives I_t-1 et I_t dans lesquelles on a reconnu respectivement les ensembles d'objets E_t-1 = (O₀,. .., O_o) et E_t=(N₀,...,N_n). On definit une matrice $(n \times o)$ telle que C_ij soit le critère d'appariement temporel entre O_i et N_j.

**Figure:** La distribution des valeurs prises par le paramètre dynamiques du modèle humain
$\includegraphics[width=6cm]{images/humo_vits.eps}$

La matrice obtenue est une matrice $(n \times o)$ définie dans (0,1) où la valeur 1 signifie une filiation entre deux objets. Cette filiation est dite non-ambiguë si à un objet de I_t-1 correspond au plus un objet de I_t et réciproquement. Tous les autres cas sont dits ambigus. Cela signifie qu'une matrice idéale est une matrice telle qu'il existe au plus un 1 sur une ligne et sur une colonne. Les traitements associés à l'appariement temporel visent à transformer la matrice obtenue afin de la rendre idéale. Rendre idéale cette matrice, lever les ambiguïtés, revient alors à reconnaître des motifs qualifiant certains problèmes. Par exemple, une colonne N_i de valeurs nulles signifie que l'objet N_i n'a pas pu être apparié avec un objet de l'image précédente. Une ligne O_j de valeurs nulles signifie que cet objet n'a pas trouvé d'appariement dans l'image courante. De même une ligne ou une colonne contenant plus de une valeur égale à 1 signifie que l'objet en question peut s'apparier avec plusieurs objets distincts.

**Figure:** Matrice d'ambiguité
$\includegraphics[width=10cm]{images/img_matric.eps}$

Le suivi n'est pas un problème totalement résolu. Bien que l'utilisation d'informations contextuelles rende intelligible les problèmes liés à l'appariement temporel, il est clair qu'un suivi robuste doit être réalisé à partir d'information 3D.

La figure 24 illustre ce propos en montrant les résultats comparés des logiciels avec ou sans module de contexte statique. A gauche, le logiciel de départ (sans information contextuelle), ne gérant pas les problèmes d'occultations dynamiques, produit un graphe temporel inexploitable. A droite, le logiciel utilisant un module d'information de contexte est capable de résoudre les problèmes d'occultations dynamiques.

Les conclusions

Nous pouvons maintenant admettre que l'utilisation d'informations contextuelles ne relève ni du gadget ni d'un raccourci de traitement. Son recours est essentiel à la qualification de la plupart des problèmes évoqués dans notre grille de lecture décrite dans la première et la seconde section. En effet la plupart des difficultés à résoudre proviennent du manque d'information 3D et d'information de la scène en général, que se soit sur la nature des objets qui nous intéressent ou sur le décor, l'environnement du traitement.

**Figure:** Comparaison des résultats des logiciels avec ou sans contexte
$\includegraphics[width=12cm]{images/img_compar_res.eps}$