Efficient tracking of the 3D articulated motion of human hands
Authors: Οικονομίδης Ιάσονας 
Published: August 2021

Το πρόβλημα της τρισδιάστατης παρακολούθησης του ανθρώπινου χεριού έχει τόσο θεωρητικό όσο και πρακτικό ενδιαφέρον. Είναι ένα απαιτητικό πρόβλημα που δεν έχει λυθεί στην πλήρη γενικότητά του, παρά τη σημαντική ερευνητική προσπάθεια που έχει αφιερωθεί σε αυτό. Αυτή η διατριβή αντιμετωπίζει αυτό το πρόβλημα και παρουσιάζει μεθόδους για την παρακολούθηση της 3Δ θέσης της παλάμης του χεριού και των δακτύλων σε ένα ευρύ φάσμα από ενδιαφέροντα σενάρια.Τέτοια σενάρια περιλαμβάνουν την παρακολούθηση ενός ή δύο χεριών, καθώς και την παρακολούθηση του χεριού(-ών) μεμονωμένα ή σε αλληλεπίδραση με το περιβάλλον. Επιλογές σχετικές με τη σχεδίαση των διάφορων παρουσιαζόμενων μεθόδων αφορούν στην επιλογή κατάλληλων χαρακτηριστικών εικόνας συμπεριλαμβάνοντας τον τρόπο με τον οποίο αυτά μπορούν να συντεθούν και να αποτιμηθούν, καθώς και αλγόριθμους για την επίλυση των προβλημάτων βελτιστοποίησης που προκύπτουν. Όλα τα σενάρια προβλέπουν σαν είσοδο οπτική παρατήρηση της σκηνής χωρίς χρήση υποβοηθητικών σημαδιών. Τα χαρακτηριστικά εικόνας που χρησιμοποιούμε είναι οι ακμές, οι περιοχές χρώματος δέρματος, η απόσταση από τον αισθητήρα και το τρισδιάστατο οπτικό περίγραμμα (visual hull). Οι παρατηρήσεις μπορούν να προέρχονται είτε από ένα δίκτυο συμβατικών καμερών, είτε από μία κάμερα που επιπρόσθετα με το χρώμα καταγράφει και την απόσταση του κάθε σημείου της σκηνής από τον αισθητήρα (RGB-D sensor). Η επιλογή του τύπου εισόδου καθορίζει μερικώς και τα χρησιμοποιούμενα χαρακτηριστικά εικόνας.Ακολουθούμε την προσέγγιση μεθόδων που βασίζονται σε μοντέλο, διατυπώνοντας το πρόβλημα της εκτίμησης πόζας σε κάθε εικόνα εισόδου σαν ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης. Ο χώρος αναζήτησης αυτού του προβλήματος βασίζεται στη χρησιμοποιούμενη παραμετροποίηση της κινηματικής του χεριού. Για την περίπτωση του ενός χεριού, ο χώρος αναζήτησης ταυτίζεται με αυτή την παραμετροποίηση, ενώ για τις περιπτώσεις αλληλεπίδρασης χεριού-χεριού ή χεριού-αντικειμένου, αυτός ο χώρος προσαυξάνεται κατάλληλα ώστε να συμπεριλάβει όλες τις παρακολουθούμενες οντότητες.Αυτή η από κοινού θεώρηση, παρότι οδηγεί σε προβλήματα βελτιστοποίησης με δεκάδες παραμέτρων, έχει το πλεονέκτημα ότι επιτρέπει την μοντελοποίηση της αλληλεπίδρασης των παρακολουθούμενων οντοτήτων με άμεσο τρόπο.Η υπόθεση της χρονικής συνέχειας χρησιμοποιείται μέσω της αρχικοποίησης της αναζήτησης σχετικά με κάποια εικόνα στην περιοχή της εκτίμησης λύσης για την προηγούμενη χρονικά εικόνα.Η από κοινού θεώρηση των παρατηρούμενων οντοτήτων της σκηνής επιτρέπει την αντιμετώπιση σεναρίων που περιλαμβάνουν πολύπλοκη αλληλεπίδραση ανάμεσα σε αυτές τις οντότητες. Για την περίπτωση της αλληλεπίδρασης χεριού με αντικείμενο, δείχνουμε πώς οι προκύπτουσες αλληλεπικαλύψεις μπορούν να παράσχουν χρήσιμη πληροφορία αντί να αντιμετωπίζονται ως πρόβλημα.Για την περίπτωση των δύο χεριών σε ισχυρή αλληλεπίδραση, οι αλγόριθμοι που προτείνουμε αντιμετωπίζουν την πιο περίπλοκη αλληλεπίδραση χεριών που έχει ως τώρα αναφερθεί στη σχετική βιβλιογραφία.Για τη βελτιστοποίηση των αντικειμενικών συναρτήσεων, όπως προκύπτουν από την υιοθετούμενη διατύπωση του προβλήματος, χρησιμοποιούμε αλγόριθμους βελτιστοποίησης που δεν απαιτούν γνώση της παραγώγου της αντικειμενικής συνάρτησης. Συγκεκριμένα, στις περισσότερες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται παραλλαγές του αλγορίθμου Βελτιστοποίησης Σμήνους Σωματιδίων (ΒΣΣ) (Particle Swarm Optimization). Ο ΒΣΣ είναι ένας γενετικός αλγόριθμος που δεν απαιτεί γνώση της παραγώγου της αντικειμενικής συνάρτησης που βελτιστοποιεί, και παραλληλοποιείται εύκολα. Είναι κατάλληλος για το πρόβλημα διότι μπορεί να αντιμετωπίσει μη παραγωγίσιμες συναρτήσεις με πολλά τοπικά βέλτιστα.Παρουσιάζεται επίσης ένας νέος εξελικτικός αλγόριθμος βελτιστοποίησης, και δοκιμάζεται σε δύο από τα εξεταζόμενα σενάρια παρακολούθησης της κίνησης χεριών. Αυτός ο αλγόριθμος εκμεταλλεύεται τις χρήσιμες ιδιότητες της ημι-τυχαίας δειγματοληψίας, συνδυάζοντάς τις με την δύναμη των εξελικτικών υπολογισμών.Τα διάφορα υπολογιστικά βήματα όλων των παρουσιαζόμενων μεθόδων είναι προσεκτικά σχεδιασμένα ώστε να περιλαμβάνουν υπολογισμούς που επιδέχονται παραλλληλοποίηση. Γίνεται έτσι εφικτή η εκμετάλλευση σύγχρονων αρχιτεκτονικών όπως οι κάρτες γραφικών, έτσι ώστε τα συστήματα που προκύπτουν να επιτυγχάνουν επιδόσεις οι οποίες, ανάλογα με το πρόβλημα, είναι πραγματικού χρόνου ή κοντά σε αυτές.