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THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Spécialité :

THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Spécialité : Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par « Mohammad Ali Nazari » Thèse dirigée par « Pascal Perrier » et codirigée par « Yohan Payan » préparée au sein du Laboratoire …GIPSA/DPC dans l'École Doctorale …EDISCE Modélisation biomécanique du visage: Etude du contrôle des gestes oro- faciaux en production de la parole Thèse soutenue publiquement le « 30 Septembre 2011 », devant le jury composé de : M. Denis Favier Professeur à l’Université Joseph Fourier (Président) M. David Ostry Professeur à McGill University (Rapporteur) M. Patrick Chabrand Professeur à l’Université de la Méditerranée (Rapporteur) M. Rafael Laboissière Chargé de Recherche au Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (Examinateur) M. Yohan Payan Directeur de Recherche au Laboratoire TIMC-IMAG (Codirecteur de Thèse) M. Pascal Perrier Professeur à Grenoble INP (Directeur de Thèse) UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Biomechanical Face Modeling: Control of Orofacial Gestures for Speech Production By: Mohammad Ali Nazari A THESIS Submitted To Doctoral School EDISCE In Partial Fulfilment of the Requirements for The Degree of Doctor of Philosophy (PhD) GRENOBLE, FRANCE September, 2011 © Mohammad Ali Nazari, 2011 UNIVERSITÉ DE GRENOBLE The undersigned certify that they have read, and recommend to the Faculty of Graduate Studies for acceptance, a thesis entitled "Biomechanical face modelling: Control of orofacial gestures for speech production " submitted by Mohammad Ali Nazari in partial fulfilment of the requirements of the degree of Doctor of Philosophy. President of Jury, Professor Denis Favier, Université Joseph Fourier External Examiner and Reviewer, Professor David Ostry, McGill University External Examiner and Reviewer, Professor Patrick Chabrand, Université de la Méditerranée External Examiner, Dr. Rafael Laboissière, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon Co-supervisor, Dr. Yohan Payan, Laboratoire TIMC-IMAG Supervisor, Professor Pascal Perrier, Grenoble INP Friday 30th of September, 2011 Date i Abstract To address motor control issues in speech production a 3D finite element model of the face has been constructed. This model is made of a mesh that consists of hexahedral and wedge elements. The mesh has three distinctive layers and is symmetrical about the mid-sagittal plane. Face muscles are anatomically represented in the mesh as subsets of contiguous elements. The elements of the mesh have elastic properties described by an isotropic nearly incompressible hyperelastic constitutive law. In order to study the global effects of muscles on facial mimics and lips gestures, and more specifically on speech gestures like protrusion and rounding, a simple linear muscle model has been first designed. The impact on facial gestures of stiffness changes in soft tissues is studied. Stiffening in soft tissues is indeed concomitant with muscle activation due to stress stiffening effect. This effect is accounted for in the muscle model through a variation of the hyperelastic constitutive law. Special attention is also devoted to the production of protruded and rounded lips which are required for the production of rounded vowels particularly in French. It is shown that stiffening helps the achievement of an accurate protrusion/rounding gesture thanks to the existence of a saturation effect in the relation between the muscle activations and the acoustically relevant geometrical characteristics of the lips. The result shows the importance of the dynamical properties of the articulators in the achievement of speech production gestures. Having been incited to improve the modeling of the main source of the force in speech movements, namely the muscles, a more realistic muscle model including a new constitutive law corresponding to a transversely isotropic nearly incompressible hyperelastic material and a Hill-type muscle model is designed in the ANSYS® finite element software thanks to the USERMAT programming facilities of this software. To account for a full Hill-type muscle model a force-velocity characteristic is then included in the new muscle element, thanks to the USERELEM facilities of ANSYS®. The implementation of this force-velocity characteristic introduces a damping effect on muscle movement due to a decrease of the muscle force when muscle compression velocity increases. The designed structure of the muscle element is general enough to enable studying other muscle models. Hence, Feldman’s muscle model, which has been extensively used in former modelling works at Gipsa-lab, is implemented. In a bid to integrate the Feldman’s model in a finite element structure a distributed formulation of this model has been proposed. The Hill-type and the Feldman-type muscle element are included in the face model to replace the first simple linear muscle model. The first simulations of lips protrusion/rounding gesture show realistic results. A comparison of the results obtained with the Hill-type model with those obtained with the Feldman’s model is also conducted which shows that the final face shapes are very similar to those of these two models. ii iii Résumé Un modèle tridimensionnel du visage a été élaboré, dans la perspective de contribuer à l’étude de questions importantes sur le contrôle moteur de la production de la parole. Ce modèle est construit sur un maillage constitué d’éléments hexahédraux et de clavettes, qui comporte 3 couches distinctes et est symétrique par rapport au plan medio-sagittal. Les muscles faciaux sont représentés dans le maillage par un sous-ensemble d’éléments contigus. Les propriétés élastiques des éléments du maillage sont décrites par une loi de comportement de type isotrope quasi incompressible et hyperélastique. Dans une première phase de ce travail, pour étudier les conséquences globales de l’activation des muscles oro-faciaux sur les mimiques faciales et les gestes labiaux, et plus particulièrement sur les gestes labiaux en parole, un modèle linéaire de muscle a été élaboré. L’influence des variations de la raideur des tissus mous sur les gestes faciaux a été étudiée. En effet, l’activation des muscles entraîne un raidissement des tissus mous musculaires concernés. Cet effet est pris en compte dans le modèle de muscle par un changement de la loi de comportement hyperélastique avec l’activation musculaire. Une attention particulière a été portée dans cette étude à la production du geste de protrusion/arrondissement des lèvres qui est un geste fondamental dans la production des voyelles arrondies, en particulier en Français. Nous montrons que le raidissement des tissus mous musculaires facilite la production précise de ce geste grâce à l’existence d’un effet de saturation dans la relation entre les activations musculaires et les paramètres géométriques des lèvres qui sont pertinents acoustiquement. Ce résultat souligne l’importance des propriétés dynamiques des articulateurs dans la production des gestes de la parole, et il nous a incités à améliorer encore la modélisation de la source principale de force en production de la parole, c’est-à-dire les muscles. C’est pourquoi, un modèle de muscles plus réaliste a été élaboré qui se fonde sur une loi de comportement transversalement isotrope quasi incompressible et hyperélastique et sur un modèle de muscle de type Hill. Ce modèle a été implémenté dans le logiciel éléments finis ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERMAT. La prise en compte supplémentaire d’une loi caractéristique force-vitesse a permis la modélisation complète d’un modèle de muscle de type Hill. Ceci a été fait sous ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERELEM. Cette loi caractéristique force-vitesse introduit un effet d’amortissement dans le mouvement du muscle du fait d’une atténuation croissante de la force musculaire lorsque la vitesse de compression du muscle augmente. Ce nouvel élément de type muscle a été conçu de manière telle qu’il est possible d’implémenter d’autres modèles de muscles que le modèle de type Hill. C’est pourquoi nous avons aussi implémenté le modèle de Feldman, qui a été utilisé de manière importante à Gipsa-lab dans les dernières années. L’intégration du modèle de Feldman dans une structure à éléments finis a nécessité une reformulation de façon à le rendre compatible avec une modélisation distribuée. Les modèles de Hill et de Feldman ont ensuite été incorporés dans le modèle de visage pour remplacer le modèle linéaire initial. Dans ces conditions les premières simulations du geste de protrusion/arrondissement labial ont donné des résultats réalistes. Finalement une comparaison des résultats obtenus avec le modèle de Hill avec ceux qui génère le modèle de Feldman montrent que les formes labiales finales sont très similaires pour les deux modèles. iv v Acknowledgement First and foremost, I would like to extend my cordial gratitude to my supervisor, Professor Pascal Perrier, for accepting me as a PhD candidate and for his precious continued support during my PhD studies. His criticism and encouragement inspired me all along and showed me how to go through difficulties and leave the obstacles behind. He educated me with the state-of-the-art research methodologies. His insightful courses on speech analysis taught me the fundamentals of speech production and speech signal analysis while his immense knowledge of signal analysis and speech production showed me how to avoid the entanglements of this diverse yet complex domain. And above all, his extremely amicable character established a unique friendship between us which is the most valuable of all. Furthermore, I would like to thank my co-supervisor, Dr. Yohan Payan whose invaluable support and his vast knowledge of both medical and engineering sciences greatly assisted me with my research uploads/Litterature/ thesis-nazarii-pdf.pdf