This thesis develops new algorithms to produce 3D content from a single camera. Today, amateurs can use hand-held camcorders to capture and display the 3D world in 2D, using mature technologies. However, there is always a strong desire to record and re-explore the 3D world in 3D. To achieve this goal, current approaches usually make use of a camera array, which suffers from tedious setup and calibration processes, as well as lack of portability, limiting its application to lab experiments. In this thesis, I try to produce the 3D contents using a single camera, making it as simple as shooting pictures. It requires a new front end capturing device rather than a regular camcorder, as well as more sophisticated algorithms. First, in order to capture the highly detailed object surfaces, I designed and developed a depth camera based on a novel technique called light fall-off stereo (LFS). The LFS depth camera outputs color+depth image sequences and achieves 30 fps, which is necessary for capturing dynamic scenes. Based on the output color+depth images, I developed a new approach that builds 3D models of dynamic and deformable objects. While the camera can only capture part of a whole object at any instance, partial surfaces are assembled together to form a complete 3D model by a novel warping algorithm. Inspired by the success of single view 3D modeling, I extended my exploration into 2D-3D video conversion that does not utilize a depth camera. I developed a semi-automatic system that converts monocular videos into stereoscopic videos, via view synthesis. It combines motion analysis with user interaction, aiming to transfer as much depth inferring work from the user to the computer. I developed two new methods that analyze the optical flow in order to provide additional qualitative depth constraints. The automatically extracted depth information is presented in the user interface to assist with user labeling work. In this thesis, I developed new algorithms to produce 3D contents from a single camera. Depending on the input data, my algorithm can build high fidelity 3D models for dynamic and deformable objects if depth maps are provided. Otherwise, it can turn the video clips into stereoscopic video.

Ces dernières années, la biométrie a fait l’objet d’une grande attention en raison du besoin sans cesse croissant d’authentification d’identité, notamment pour sécuriser de plus en plus d’applications enlignes. Parmi divers traits biométriques, le visage offre des avantages compétitifs sur les autres, e.g., les empreintes digitales ou l’iris, car il est naturel, non-intrusif et facilement acceptable par les humains. Aujourd’hui, les techniques conventionnelles de reconnaissance faciale ont atteint une performance quasi-parfaite dans un environnement fortement contraint où la pose, l’éclairage, l’expression faciale et d’autres sources de variation sont sévèrement contrôlées. Cependant, ces approches sont souvent confinées aux domaines d’application limités parce que les environnements d’imagerie non-idéaux sont très fréquents dans les cas pratiques. Pour relever ces défis d’une manière adaptative, cette thèse porte sur le problème de reconnaissance faciale non contrôlée, dans lequel les images faciales présentent plus de variabilités sur les éclairages. Par ailleurs, une autre question essentielle vise à profiter des informations limitées de 3D pour collaborer avec les techniques basées sur 2D dans un système de reconnaissance faciale hétérogène. Pour traiter les diverses conditions d’éclairage, nous construisons explicitement un modèle de réflectance en caractérisant l’interaction entre la surface de la peau, les sources d’éclairage et le capteur de la caméra pour élaborer une explication de la couleur du visage. A partir de ce modèle basé sur la physique, une représentation robuste aux variations d’éclairage, à savoir Chromaticity Invariant Image (CII), est proposée pour la reconstruction des images faciales couleurs réalistes et sans ombre. De plus, ce processus de la suppression de l’ombre en niveaux de couleur peut être combiné avec les techniques existantes sur la normalisation d’éclairage en niveaux de gris pour améliorer davantage la performance de reconnaissance faciale. Les résultats expérimentaux sur les bases de données de test standard, CMU-PIE et FRGC Ver2.0, démontrent la capacité de généralisation et la robustesse de notre approche contre les variations d’éclairage. En outre, nous étudions l’usage efficace et créatif des données 3D pour la reconnaissance faciale hétérogène. Dans un tel scénario asymétrique, un enrôlement combiné est réalisé en 2D et 3D alors que les images de requête pour la reconnaissance sont toujours les images faciales en 2D. A cette fin, deux Réseaux de Neurones Convolutifs (Convolutional Neural Networks, CNN) sont construits. Le premier CNN est formé pour extraire les descripteurs discriminants d’images 2D/3D pour un appariement hétérogène. Le deuxième CNN combine une structure codeur-décodeur, à savoir U-Net, et Conditional Generative Adversarial Network (CGAN), pour reconstruire l’image faciale en profondeur à partir de son homologue dans l’espace 2D. Plus particulièrement, les images reconstruites en profondeur peuvent être également transmise au premier CNN pour la reconnaissance faciale en 3D, apportant un schéma de fusion qui est bénéfique pour la performance en reconnaissance. Notre approche a été évaluée sur la base de données 2D/3D de FRGC. Les expérimentations ont démontré que notre approche permet d’obtenir des résultats comparables à ceux de l’état de l’art et qu’une amélioration significative a pu être obtenue à l’aide du schéma de fusion. / In recent years, biometrics have received substantial attention due to the evergrowing need for automatic individual authentication. Among various physiological biometric traits, face offers unmatched advantages over the others, such as fingerprints and iris, because it is natural, non-intrusive and easily understandable by humans. Nowadays conventional face recognition techniques have attained quasi-perfect performance in a highly constrained environment wherein poses, illuminations, expressions and other sources of variations are strictly controlled. However these approaches are always confined to restricted application fields because non-ideal imaging environments are frequently encountered in practical cases. To adaptively address these challenges, this dissertation focuses on this unconstrained face recognition problem, where face images exhibit more variability in illumination. Moreover, another major question is how to leverage limited 3D shape information to jointly work with 2D based techniques in a heterogeneous face recognition system. To deal with the problem of varying illuminations, we explicitly build the underlying reflectance model which characterizes interactions between skin surface, lighting source and camera sensor, and elaborate the formation of face color. With this physics-based image formation model involved, an illumination-robust representation, namely Chromaticity Invariant Image (CII), is proposed which can subsequently help reconstruct shadow-free and photo-realistic color face images. Due to the fact that this shadow removal process is achieved in color space, this approach could thus be combined with existing gray-scale level lighting normalization techniques to further improve face recognition performance. The experimental results on two benchmark databases, CMU-PIE and FRGC Ver2.0, demonstrate the generalization ability and robustness of our approach to lighting variations. We further explore the effective and creative use of 3D data in heterogeneous face recognition. In such a scenario, 3D face is merely available in the gallery set and not in the probe set, which one would encounter in real-world applications. Two Convolutional Neural Networks (CNN) are constructed for this purpose. The first CNN is trained to extract discriminative features of 2D/3D face images for direct heterogeneous comparison, while the second CNN combines an encoder-decoder structure, namely U-Net, and Conditional Generative Adversarial Network (CGAN) to reconstruct depth face image from its counterpart in 2D. Specifically, the recovered depth face images can be fed to the first CNN as well for 3D face recognition, leading to a fusion scheme which achieves gains in recognition performance. We have evaluated our approach extensively on the challenging FRGC 2D/3D benchmark database. The proposed method compares favorably to the state-of-the-art and show significant improvement with the fusion scheme.