Analysis of 3D human gait reconstructed with a depth camera and mirrors

L'évaluation de la démarche humaine est l'une des composantes essentielles dans les soins de santé. Les systèmes à base de marqueurs avec plusieurs caméras sont largement utilisés pour faire cette analyse. Cependant, ces systèmes nécessitent généralement des équipements spécifiques à prix élevé et/ou des moyens de calcul intensif. Afin de réduire le coût de ces dispositifs, nous nous concentrons sur un système d'analyse de la marche qui utilise une seule caméra de profondeur. Le principe de notre travail est similaire aux systèmes multi-caméras, mais l'ensemble de caméras est remplacé par un seul capteur de profondeur et des miroirs. Chaque miroir dans notre configuration joue le rôle d'une caméra qui capture la scène sous un point de vue différent. Puisque nous n'utilisons qu'une seule caméra, il est ainsi possible d'éviter l'étape de synchronisation et également de réduire le coût de l'appareillage.  Notre thèse peut être divisée en deux sections: reconstruction 3D et analyse de la marche. Le résultat de la première section est utilisé comme entrée de la seconde. Notre système pour la reconstruction 3D est constitué d'une caméra de profondeur et deux miroirs. Deux types de capteurs de profondeur, qui se distinguent sur la base du mécanisme d'estimation de profondeur, ont été utilisés dans nos travaux. Avec la technique de lumière structurée (SL) intégrée dans le capteur Kinect 1, nous effectuons la reconstruction 3D à partir des principes de l'optique géométrique. Pour augmenter le niveau des détails du modèle reconstruit en 3D, la Kinect 2 qui estime la profondeur par temps de vol (ToF), est ensuite utilisée pour l'acquisition d'images. Cependant, en raison de réflections multiples sur les miroirs, il se produit une distorsion de la profondeur dans notre système. Nous proposons donc une approche simple pour réduire cette distorsion avant d'appliquer les techniques d'optique géométrique pour reconstruire un nuage de points de l'objet 3D.  Pour l'analyse de la démarche, nous proposons diverses alternatives centrées sur la normalité de la marche et la mesure de sa symétrie. Cela devrait être utile lors de traitements cliniques pour évaluer, par exemple, la récupération du patient après une intervention chirurgicale. Ces méthodes se composent d'approches avec ou sans modèle qui ont des inconvénients et avantages différents. Dans cette thèse, nous présentons 3 méthodes qui traitent directement les nuages de points reconstruits dans la section précédente. La première utilise la corrélation croisée des demi-corps gauche et droit pour évaluer la symétrie de la démarche, tandis que les deux autres methodes utilisent des autoencodeurs issus de l'apprentissage profond pour mesurer la normalité de la démarche. The problem of assessing human gaits has received a great attention in the literature since gait analysis is one of key components in healthcare. Marker-based and multi-camera systems are widely employed to deal with this problem. However, such systems usually require specific equipments with high price and/or high computational cost. In order to reduce the cost of devices, we focus on a system of gait analysis which employs only one depth sensor. The principle of our work is similar to multi-camera systems, but the collection of cameras is replaced by one depth sensor and mirrors. Each mirror in our setup plays the role of a camera which captures the scene at a different viewpoint. Since we use only one camera, the step of synchronization can thus be avoided and the cost of devices is also reduced.  Our studies can be separated into two categories: 3D reconstruction and gait analysis. The result of the former category is used as the input of the latter one. Our system for 3D reconstruction is built with a depth camera and two mirrors. Two types of depth sensor, which are distinguished based on the scheme of depth estimation, have been employed in our works. With the structured light (SL) technique integrated into the Kinect 1, we perform the 3D reconstruction based on geometrical optics. In order to increase the level of details of the 3D reconstructed model, the Kinect 2 with time-of-flight (ToF) depth measurement is used for image acquisition instead of the previous generation. However, due to multiple reflections on the mirrors, depth distortion occurs in our setup. We thus propose a simple approach for reducing such distortion before applying geometrical optics to reconstruct a point cloud of the 3D object.  For the task of gait analysis, we propose various alternative approaches focusing on the problem of gait normality/symmetry measurement. They are expected to be useful for clinical treatments such as monitoring patient's recovery after surgery. These methods consist of model-free and model-based approaches that have different cons and pros. In this dissertation, we present 3 methods that directly process point clouds reconstructed from the previous work. The first one uses cross-correlation of left and right half-bodies to assess gait symmetry while the other ones employ deep auto-encoders to measure gait normality.

Keyphrases: Kinect, Gait Model, Optique Géométrique, Distorsion de Profondeur, Creusage de l'Espace, Nuage de Points, Miroir, Normalité de la Démarche, Symétrie de la Démarche, Modèle de Démarche, Auto-Encodeur, Histogramme Cylindrique, Corrélation Croisée, Geometrical Optics, Depth Distortion, Space Carving, Point Cloud, Mirror, Kinect, Gait Normality, Gait Symmetry, Adversarial, Auto-Encoder, Cylindrical Histogram, Cross-Correlation, Adverse