Automatic Head and Face Analysis for Human-Computer Interaction

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1 DISS. ETH NO Automatic Head and Face Analysis for Human-Computer Interaction A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Gabriele Fanelli M.Eng. Sapienza University of Rome born July 12, 1980 citizen of Italy accepted on the recommendation of Prof. Dr. Luc Van Gool, ETH Zurich and KU Leuven, examiner Prof. Dr. Nicu Sebe, University of Trento, co-examiner 2012

2 Abstract Humans rely on head and facial movements for numerous tasks, especially in relation to communication. From speech to facial expressions, from nods to the subtlest non-verbal cues, our heads produce a great amount of information which we effortlessly read and transmit every day. Accurate and robust algorithms for the analysis and synthesis of both head and facial motions have therefore been actively advocated in the computer vision, machine learning, and computer graphics research communities. The driving force to these efforts is represented by the countless possible applications of such automatic methods: From security to health care, from human-computer interaction to intelligent tutoring, just to name some. This work presents new tools for the analysis of head and facial motion targeted at improving our experience in the interaction with machines, nowadays still performed mainly through unnatural devices like keyboards and mice. A first contribution is a method for robust mouth localization in videos of talking people. The algorithm does not rely on specific features like lip contours to be visible and we experimentally prove it accurate enough for the speech recognition task, achieving results comparable to the ones obtained from semi-automatically cropped mouth images. We further describe a method for the automatic classification of facial videos into a discrete set of expression labels which also localizes the expression s apex in time. Our voting approach achieves results comparable to the state of the art when applied to standard databases and proves capable of handling a certain degree of occlusion. A multimodal corpus of affective speech is presented next, together with procedures for its acquisition and automatic labeling. The recordings

3 iv Abstract include high quality facial scans of native English speakers engaged in emotional speech. Though we used video clips to elicit the affective states, thus trading naturalness for quality, an online evaluation showed that the recorded data retained the expressivity of the inductive films. The corpus is targeted to the research fields of realistic visual speech modeling for animation and recognition, 3D facial features localization, and view-independent expression recognition. Finally, we present a framework for head pose estimation from depth images and extend it to localize a set of facial features in 3D. Our algorithm handles large rotations, partial occlusions, and noisy depth data. Moreover, it works on each frame independently and in real time, thus lending itself as a complement to tracking algorithms for their initialization and recovery. We thoroughly evaluate the system on challenging and realistic datasets, among which stands out a new annotated head pose database collected using a Microsoft Kinect, which we made available to the community.

4 Sommario I movimenti della testa e del volto sono parte fondamentale della comunicazione tra esseri umani. Parlato, espressioni facciali, cenni del capo: la testa ed il viso producono un gran numero di informazioni che ogni giorno trasmettiamo e decifriamo naturalmente. Innumerevoli applicazioni pratiche beneficerebbero di algoritmi affidabili per l analisi e la sintesi dei movimenti del capo, ragione che ha spinto i recenti sforzi fatti nei campi della visione artificiale, apprendimento automatico e computer grafica. Questa tesi presenta nuovi metodi per l analisi automatica dei movimenti della testa e del volto umani. Lo scopo principale è di migliorare l interazione uomo-macchina, oggi per la maggior parte ancora condotta tramite dispositivi poco naturali come tastiera e mouse. Un primo contributo è un metodo per localizzare la bocca in video raffiguranti persone che parlano. L algoritmo non dipende da specifici tratti facciali come il contorno delle labbra e quindi non è suscettibile della loro parziale copertura. Gli esperimenti mostrano come il metodo suggerito sia utilizzabile per il riconoscimento automatico del parlato, ottenendo risultati simili a quelli ricavati da immagini della bocca estratte tramite intervento manuale. Descriviamo poi un metodo per il riconoscimento automatico delle espressioni facciali da video e la localizzazione delle stesse nella dimensione temporale. Il nostro approccio ottiene risultati simili allo stato dell arte quando applicato a delle basi di dati standard e si dimostra inoltre capace di funzionare anche quando parti del volto non sono visibili. Segue una raccolta di scansioni facciali 3D di alta qualità, con corrispettivo audio, di 14 madrelingua Inglesi impegnati nella produzione di parlato emozionale. I dati sono presentati insieme alle procedure necessarie per la loro acquisizione e annotazione automatica. L uso di video

5 vi Sommario per indurre gli stati affettivi è necessario per ottenere dati di alta qualità, a scapito della loro naturalezza. Un sondaggio online dimostra che i dati raccolti trasmettono emozioni simili a quelle provate guardando i video originali. Il database può essere utile per la ricerca sulla modellazione delle deformazioni facciali associate al parlato per l animazione e il riconoscimento, oltre che sulla localizzazione di tratti facciali in 3D. Infine, viene presentato un algoritmo per la stima della postura della testa da immagini di profondità, esteso alla localizzazione di alcuni importanti tratti facciali in 3D. Il metodo proposto riesce anche in presenza di rotazioni notevoli, immagini parzialmente corrotte o di bassa qualità. Il funzionamento in tempo reale e su ogni immagine indipendentemente ne fanno un complemento ideale ad algoritmi di tracciamento esistenti per la loro inizializzazione e recupero. Un accurata valutazione dell approccio proposto è eseguita su basi di dati impegnative e realistiche, tra cui un nuovo database registrato con un Microsoft Kinect, annotato con la postura delle teste e reso disponibile alla comunità scientifica.