Limites de l’algorithme

La première limite de l’algorithme, présentée par l’auteur, est relative aux ressources qu’il utilise. En effet l’auteur précise que l’algorithme utilise la totalité des pixels de la zone considérée (fond et objet) afin d’effectuer la mise à jour de l’ensemble, ce qui a pour effet immédiat de réduire les performances de l’algorithme à quelques images traitées par seconde.

L’auteur mentionne également trois autres limitations. La première concerne les oc- clusions totales et/ou longues. En effet malgré les bons résultats obtenus avec l’arti- fice proposé (filtrage particulaire), il reste de nombreuses situations pour lesquelles

l’algorithme est inadapté et l’auteur insiste sur le fait qu’il semble préférable de fusionner les deux approches (ensemble tracking et filtrage particulaire) afin d’amé- liorer encore la méthode. Le second problème concerne la limite entre adaptation et dérive et plus particulièrement la manière de configurer au mieux l’algorithme afin qu’il s’adapte de manière optimale aux changements intervenant dans la scène sans pour autant souffrir du problème de drifting. Ce dernier correspond à un problème "classique" rencontré par les algorithmes d’apprentissage. Le modèle à apprendre évolue au fil du temps et les algorithmes d’apprentissage tentent alors de refléter cette évolution en intégrant des données la traduisant. Tout l’enjeu est alors de dis- tinguer les données bruitées des données reflétant l’évolution du modèle. Le drifting correspond à la dérive du modèle appris par intégration d’une quantité de données bruitées trop conséquente (des données de fond dans notre cas). Enfin, la troisième limitation présentée par l’auteur est relative à l’espace des caractéristiques utilisées. Cet espace est, en l’état, relativement limité et l’algorithme pourrait gagner en effi- cacité s’il était enrichi, notamment par une information spatiale.

On peut également ajouter à ces limites la nécessité de configuration "manuelle" de l’espace des caractéristiques en fonction de la source vidéo utilisée. En effet l’auteur précise qu’au vu de l’instabilité constatée avec l’espace de caractéristiques original sur les vidéos en infra-rouge et en niveaux de gris, il a été nécessaire de changer ma- nuellement cet espace pour un espace plus adapté. Ce besoin de changement manuel vient à l’encontre du caractère "tout automatique" recherché dans les méthodes de suivi.

Pour terminer, la méthode developpée par Shaï Avidan présente un inconvénient majeur : la classification des pixels s’effectue sur un espace de caractéristiques hé- térogène. Les caractéristiques utilisées dans le vecteur de caractéristiques combiné peuvent ou non être fiable suivant la situation et, par conséquent, ils peuvent entraî- ner une augmentation significative de l’erreur Bayésienne globale. De plus, certaines caractéristiques peuvent ne pas être assez discriminantes pour un problème donné, ce qui peut conduire à un biais relativement important dans les résultats de classi- fication. La figure 2.13 illustre parfaitement le problème et introduit en partie une solution possible : diviser l’espace des caractéristiques en plusieurs espaces homo- gènes. On constate que, contrairement au suivi sur espaces homogènes, le suivi par ensemble tracking perd la cible. Ceci est dû à l’information apportée par les gra- dients. En effet, on constate lorsque l’on regarde la carte de confiance obtenue sur l’espace des gradients que ce type d’information est inadapté à la situation courante (gradients du fond très marqués). Or cette information se retrouve automatiquement intégrée "de force" dans la carte obtenue par Ensemble Tracking.

Afin d’apporter une solution aux différentes limitations mentionnées ci-dessus, nous avons développé une nouvelle méthode, basée sur l’Ensemble Tracking : l’Ensemble Tracking Modulaire. Présentée dans le chapitre suivant, cette méthode permet de lutter contre le biais induit par les caractéristiques non déterminantes en introdui- sant une décomposition de l’espace des caractéristiques en sous-espaces (modules) homogènes. Un suivi basé Ensemble Tracking est appliqué sur chacun de ses mo- dules et la problématique de suivi se transforme alors en l’estimation de la position

(a) (b)

Figure 2.13 – Hétérogénéité/Homogénéité des espaces de caractéristiques. La sous-figure (a) (resp. (b)) illustre le suivi effectué par l’algorithme Ensemble Tracking (resp. Ensemble Tracking Modulaire introduit au chapitre 3) sur une séquence vidéo (extraite de la base de données CAVIAR présentée au chapitre 3) présentant le hall d’entrée d’un laboratoire. La première ligne représente une image extraite de cette séquence sur laquelle ont été reportés le rectangle de suivi en trait plein (sortie de l’algorithme) et le rectangle de recherche (en pointillés). La seconde ligne représente différentes cartes de confiance (correspondant au rectangle de recherche) obtenues sur différents espaces de caractéristiques. De gauche à droite, on peut trouver : la carte de confiance obtenue via l’algorithme Ensemble Tracking (espace joint couleur/gradient), la carte obtenue uniquement sur l’espace des couleurs, la carte combinant les deux cartes voisines et enfin la carte obtenue uniquement sur l’espace des histogrammes d’orientation des gradients.

de l’objet ainsi que de la combinaison des cartes de confiance associées (une par module) la plus discriminante. Pour ce faire, l’Ensemble Tracking Modulaire intro- duit la définition d’un filtre particulaire spécifique. Outre des résultats de suivi très satisfaisants, même en cas de forte occlusion, ainsi que des temps de traitement autorisant le suivi temps-réel, l’algorithme permet, de par sa modularisation, un enrichissement de l’espace des caractéristiques quasi illimité.

Ensemble Tracking Modulaire

Sommaire

3.1 Principe de l’algorithme . . . 47 3.1.1 Échantillonnage des exemples d’apprentissage . . . 49 3.1.2 Filtre particulaire . . . 50 3.1.3 Optimisations algorithmiques . . . 55 3.2 Caractéristiques utilisées . . . 59 3.2.1 Couleurs . . . 60 3.2.2 Contours . . . 61 3.2.3 Texture . . . 64

L’Ensemble Tracking Modulaire se base sur deux améliorations principales. Comme énoncé dans le chapitre précédent, l’inconvénient principal de l’algorithme Ensemble Tracking réside dans la construction de son classifieur fort. Chaque classifieur faible travaille sur un espace hétérogène de caractéristiques, ce qui peut induire un biais dans les résultats de classification. Partant de cette observation, la première mo- dification de l’algorithme initial fut la division de l’espace hétérogène des caracté- ristiques en plusieurs espaces homogènes (appelés modules) et la construction d’un classifieur fort (afin de suivre l’objet par un algorithme de type Ensemble Tracking) sur chacun de ces espaces.

Partant de cette idée, chaque module est alors capable de générer une décision (plus ou moins fiable) quant à la position de l’objet à suivre. La problématique du suivi en est alors quelque peu modifiée : on cherche désormais à estimer un état caché composé, d’une part, de la position et des dimensions de l’objet suivi et, d’autre part, des paramètres de combinaison linéaire des différentes décisions conduisant à l’observation la plus discriminante.

La modification majeure de l’Ensemble Tracking réside donc dans l’apport d’une solution à cette problématique au travers de la construction d’un filtre particulaire spécifique exploitant une pondération des différents modules utilisés.

3.1

Principe de l’algorithme

L’algorithme que nous proposons ici repose sur deux aspects majeurs : la décompo- sition de l’espace hétérogène des caractéristiques en plusieurs espaces homogènes et l’apport d’une solution à la nouvelle problématique de suivi.

classifieur fort pour chaque type de vecteur de caractéristiques disponible, rendant ainsi l’algorithme Ensemble Tracking original modulaire (Ensemble Tracking Modu- laire (MET)). L’espace de caractéristiques hétérogènes global est divisé en plusieurs espaces homogènes. Un algorithme basé Ensemble Tracking est alors appliqué sur chacun de ces espaces. L’ensemble des cartes de confiance construites par chacun des classifieurs forts (appelés modules) autorisent de ce fait non plus la génération d’une mais de plusieurs décisions distinctes sur la position de l’objet.

Reformulons maintenant la problématique du suivi d’objet en intégrant cet apport. Considérons un état caché Xk, variable aléatoire, dont le calcul s’effectue par un

filtre Bayésien récursif. Cet état caché génère une observation Zk sous la forme

d’une scène 3D projetée dans une image. Un modèle d’observation est défini dans le but de chercher à séparer l’objet à suivre de son fond proche. Partant de la décom- position de l’espace des caractéristiques en modules présentée ci-dessus, ce modèle est tout naturellement composé d’une combinaison linéaire des cartes de confiance construites sur chacun de ces modules d’observation homogènes. Considérant, de plus, que l’importance de chaque module au sein de l’observation est variable au fil du temps (perte de pertinence relativement à un fond donné ...), la probléma- tique du suivi peut alors être reformulée comme la détermination, à chaque instant

k, de la position et des dimensions de l’objet ainsi que des paramètres de la com-

binaison linéaire (pondérations) des cartes de confiance construites permettant la plus meilleure "observabilité" de celui-ci (combinaison la plus discriminante). L’état caché Xk est de ce fait défini comme l’union de deux sous états, le premier Xkpos

correspondant à la position et aux dimensions de l’objet à suivre et le second X_kpon correspondant à la pondération de chaque carte au sein de la combinaison linéaire offrant la meilleure observabilité :

Xk= (X_kpos, X_kpon) (3.1)

Dans un cadre probabiliste, la problématique est d’estimer, à chaque nouvelle image de la séquence, la probabilité p(Xk|Z1:k). Dans le cadre d’un filtrage séquentiel

Bayésien, comme le précise la section 1.2.4.1, cette estimation est effectuée en deux étapes : une étape de prédiction (équation de Chapman-Kolmogorov) et une étape de mise à jour (règle de Bayes). Comme aucune hypothèse ne peut être effectuée sur la nature des distributions de probabilités, nous avons choisi de résoudre le problème en approximant les distributions par une méthode de Monte-Carlo et plus parti- culièrement, nous avons choisi de proposer un filtre particulaire. Deux approches étaient alors envisageables : marginaliser le vecteur d’état en une partie position et dimensions et une partie pondérations, ce qui conduit à une stratégie faisant intervenir deux filtres distincts ou intégrer tous les paramètres au sein d’un même vecteur d’état, ce qui conduit à l’utilisation d’un filtre unique explorant de manière jointe la globalité de l’espace d’état (position/dimensions/pondérations). Les deux approches ont été mises en place et testées et, au vu des différents résultats obtenus, le filtre unique à exploration jointe a été retenu. Seul ce choix est présenté ci-dessous. Cependant, la seconde approche est présentée et comparée à l’approche retenue en

chapitre 4 section 4.3.3.

L’algorithme global Ensemble Tracking Modulaire peut être résumé comme suit : l’espace de caractéristiques est divisé en plusieurs sous-espaces homogènes et un clas- sifieur fort est construit sur chacun de ses sous-espaces à la manière de l’Ensemble Tracking. A chaque nouvelle image, l’ensemble des classifieurs forts construit un ensemble de cartes de confiance servant d’observations à un filtre particulaire dont l’objectif est d’approximer la distribution de probabilité de la position de l’objet (ainsi que ses dimensions) et des pondérations des cartes permettant de l’observer au mieux. Une position "de sortie" de l’objet est extraite de cette distribution et utilisée afin de mettre à jour les différents classifieurs forts avant le passage à l’image suivante. Le schéma synoptique 3.1 présente l’algorithme général de l’Ensemble Tra- cking Modulaire.

Figure 3.1 – Schéma synoptique de l’algorithme Ensemble Tracking Modulaire.