Abstract The face plays an important role in our social interactions as it conveys rich sources of information. We can read a lot from one face image, but there is also information we cannot perceive without special devices. The thesis concerns using computer vision methodologies to analyse two kinds of subtle facial information that can hardly be perceived by naked eyes: the micro-expression (ME), and the heart rate (HR). MEs are rapid, involuntary facial expressions which reveal emotions people do not intend to show. It is difficult for people to perceive MEs as they are too fast and subtle, thus automatic ME analysis is valuable work which may lead to important applications. In the thesis, the progresses of ME studies are reviewed, and four parts of work are described. 1) We introduce the first spontaneous ME database, the SMIC. The lacking of data is hindering ME analysis research, as it is difficult to collect spontaneous MEs. The protocol for inducing and annotating SMIC is introduced to help future ME collections. 2) A framework including three features and a video magnification process is introduced for ME recognition, which outperforms other state-of-the-art methods on two ME databases. 3) An ME spotting method based on feature difference analysis is described, which can spot MEs from spontaneous long videos. 4) An automatic ME analysis system (MESR) was proposed for firstly spotting and then recognising MEs. The HR is an important indicator of our health and emotional status. Traditional HR measurements require skin-contact which cannot be applied remotely. We propose a method which can counter for illumination changes and head motions and measure HR remotely from color facial videos. We also apply the method for solving the face anti-spoofing problem. We show that the pulse-based feature is more robust than traditional texture-based features against unseen mask spoofs. We also show that the proposed pulse-based feature can be combined with other features to build a cascade system for detecting multiple types of attacks. At last, we summarize the contributions of the work, and propose future plans about ME and HR studies based on limitations of the current work. It is also planned to combine the ME and HR (maybe also other subtle signals from face) to build a multimodal system for affective status analysis. / Tiivistelmä Kasvot ovat monipuolinen informaatiolähde ja keskeinen ihmisten välisessä vuorovaikutuksessa. Pystymme päättelemään paljon yhdestäkin kasvokuvasta, mutta kasvoissa on paljon tietoa, jota ei pysty irrottamaan ilman erityiskeinoja. Tässä työssä analysoidaan konenäöllä ihmiselle vaikeasti havaittavaa tietoa: mikroilmeitä ja sydämen sykettä. Tahdosta riippumattomat mikroilmeet paljastavat tunteita, joita ihmiset pyrkivät piilottamaan. Mikroilmeiden havaitseminen on vaikeaa niiden nopeuden ja pienuuden vuoksi, joten automaattinen analyysi voi johtaa uusiin merkittäviin sovelluksiin. Tämä työ tarkastelee mikroilmetutkimuksen edistysaskeleita ja sisältää neljä uutta tulosta. 1) Spontaanien mikroilmeiden tietokanta (Spontaneous MIcroexpression Corpus, SMIC). Spontaanien mikroilmeiden aiheuttaminen datan saamiseksi on oma haasteensa. SMIC:n keräämisessä ja mikroilmeiden annotoinnissa käytetty menettely on kuvattu myöhemmän datan keruun ohjeistukseksi. 2) Aiempia mikroilmeiden tunnistusmenetelmiä paremmaksi kahden testitietokannan avulla todennettu ratkaisu, joka käyttää kolmea eri piirrettä ja videon suurennusta. 3) Piirre-eroanalyysiin perustuva mikroilmeiden havaitsemismenetelmä, joka havaitsee ne pitkistä realistisista videoista. 4) Automaattinen analyysijärjestelmä (Micro-Expression Spotting and Recognition, MESR), jossa mikroilmeet havaitaan ja tunnistetaan. Sydämen syke on tärkeä terveyden ja tunteiden indikoija. Perinteiset sykkeenmittausmenetelmät vaativat ihokontaktia, eivätkä siten toimii etäältä. Tässä työssä esitetään sykkeen videolta pienistä värimuutoksista mittaava menetelmä, joka sietää valaistusmuutoksia ja sallii pään liikkeet. Menetelmä on monikäyttöinen ja sen sovelluksena kuvataan todellisten kasvojen varmentaminen sykemittauksella. Tulokset osoittavat sykepiirteiden toimivan perinteisiä tekstuuripiirteitä paremmin uudenlaisia naamarihuijauksia vastaan. Syketietoa voidaan myös käyttää osana sarjatyyppisissä ratkaisuissa havaitsemaan useanlaisia huijausyrityksiä. Työn yhteenveto keskittyy suunnitelmiin parantaa mikroilmeiden ja sydämen sykkeen analyysimenetelmiä nykyisen tutkimuksen rajoitteiden pohjalta. Tavoitteena on yhdistää mikroilmeiden ja sydämen sykkeen analyysit, sekä mahdollisesti muuta kasvoista saatavaa tietoa, multimodaaliseksi affektiivisen tilan määrittäväksi ratkaisuksi.