Modèles statistiques pour la synthèse du mouvement humain

Cette thèse porte sur la synthèse de séquences de motion capture avec des modèles statistiques. La synthèse de ce type de séquences est une tâche pertinente pour des domaines d'application divers tels que le divertissement, l'interaction homme-machine, la robotique, etc. Du point de vue de l'apprentissage machine, la conception de modèles de synthèse consiste à apprendre des modèles génératifs, ici pour des données séquentielles. Notre point de départ réside dans deux problèmes principaux rencontrés lors de la synthèse de données de motion capture, assurer le réalisme des positions et des mouvements, et la gestion de la grande variabilité dans ces données. La variabilité vient d'abord des caractéristiques individuelles, nous ne bougeons pas tous de la même manière mais d'une façon qui dépend de notre personnalité, de notre sexe, de notre âge de notre morphologie, et de facteurs de variation plus court terme tels que notre état émotionnel, que nous soyons fatigués, etc.Une première partie présente des travaux préliminaires que nous avons réalisés en étendant des approches de l'état de l'art basées sur des modèles de Markov cachés et des processus gaussiens pour aborder les deux problèmes principaux liés au réalisme et à la variabilité. Nous décrivons d'abord une variante de modèles de Markov cachés contextuels pour gérer la variabilité dans les données en conditionnant les paramètres des modèles à une information contextuelle supplémentaire telle que l'émotion avec laquelle un mouvement a été effectué. Nous proposons ensuite une variante d'une méthode de l'état de l'art utilisée pour réaliser une tâche de synthèse de mouvement spécifique appelée Inverse Kinematics, où nous exploitons les processus gaussiens pour encourager le réalisme de chacune des postures d'un mouvement généré. Nos résultats montrent un certain potentiel de ces modèles statistiques pour la conception de systèmes de synthèse de mouvement humain. Pourtant, aucune de ces technologies n'offre la flexibilité apportée par les réseaux de neurones et la récente révolution de l'apprentissage profond et de l'apprentissage Adversarial que nous abordons dans la deuxième partie.La deuxième partie de la thèse décrit les travaux que nous avons réalisés avec des réseaux de neurones et des architectures profondes. Nos travaux s'appuient sur la capacité des réseaux neuronaux récurrents à traiter des séquences complexes et sur l'apprentissage Adversarial qui a été introduit très récemment dans la communauté du Deep Learning pour la conception de modèles génératifs performants pour des données complexes, notamment images. Nous proposons une première architecture simple qui combine l'apprentissage Adversarial et des autoencodeurs de séquences, qui permet de mettre au point des systèmes performants de génération aléatoire de séquences réalistes de motion capture. A partir de cette architecture de base, nous proposons plusieurs variantes d'architectures neurales conditionnelles qui permettent de concevoir des systèmes de synthèse que l'on peut contrôler dans une certaine mesure en fournissant une information de haut niveau à laquelle la séquence générée doit correspondre, par exemple l'émotion avec laquelle une activité est réalisée. Pour terminer nous décrivons une dernière variante qui permet de réaliser de l'édition de séquences de motion capture, où le système construit permet de générer une séquence dans le style d'une autre séquence, réelle.This thesis focuses on the synthesis of motion capture data with statistical models. Motion synthesis is a task of interest for important application fields such as entertainment, human-computer interaction, robotics, etc. It may be used to drive a virtual character that can be involved in the applications of the virtual reality, animation films or computer games. This thesis focuses on the use of statistical models for motion synthesis with a strong focus on neural networks. From the machine learning point of view designing synthesis models consists in learning generative models. Our starting point lies in two main problems one encounters when dealing with motion capture data synthesis, ensuring realism of postures and motion, and handling the large variability in the synthesized motion. The variability in the data comes first from core individual features, we do not all move the same way but accordingly to our personality, our gender, age, and morphology etc. Moreover there are other short term factors of variation like our emotion, the fact that we are interacting with somebody else, that we are tired etc. Data driven models have been studied for generating human motion for many years. Models are learned from labelled datasets where motion capture data are recorded while actors are performed various activities like walking, dancing, running, etc. Traditional statistical models such as Hidden Markov Models, Gaussian Processes have been investigated for motion synthesis, demonstrating strengths but also weaknesses. Our work focuses in this line of research and concerns the design of generative models for sequences able to take into account some contextual information, which will represent the factors of variation. A first part of the thesis present preliminary works that we realised by extending previous approaches relying on Hidden Markov Models and Gaussian Processes to tackle the two main problems related to realism and variability. We first describe an attempt to extend contextual Hidden Markov Models for handling variability in the data by conditioning the parameters of the models to an additional contextual information such as the emotion which which a motion was performed. We then propose a variant of a traditional method for performing a specific motion synthesis task called Inverse Kinematics, where we exploit Gaussian Processes to enforce realism of each of the postures of a generated motion. These preliminary results show some potential of statistical models for designing human motion synthesis systems. Yet none of these technologies offers the flexibility brought by neural networks and the recent deep learning revolution.The second part of the thesis describes the works we realized with neural networks and deep architectures. It builds on recurrent neural networks for dealing with sequences and on adversarial learning which was introduced very recently in the deep learning community for designing accurate generative models for complex data. We propose a simple system as a basis synthesis architecture, which combines adversarial learning with sequence autoencoders, and that allows randomly generating realistic motion capture sequences. Starting from this architecture we design few conditional neural models that allow to design synthesis systems that one can control up to some extent by either providing a high level information that the generated sequence should match (e.g. the emotion) or by providing a sequence in the style of which a sequence should be generated