A multi-channel soft biometrics framework for seamless border crossings

As the number of passengers at border entry points such as airports and rail stations increases, so does the demand for seamless, secure, and fast biometric technologies for verification purposes. Although fingerprints are currently useful biometric technologies, they are intrusive and slow down the end-to-end verification process, increasing the chances of tampering. Emerging as an alternative technology, soft biometrics have proven successful for non-intrusive and rapid verification. Soft biometrics consists of a large set of features from three different modalities of the human body, including the face, body, and essential & auxiliary attachments. This paper proposes a multi-channel soft biometrics framework that leverages soft biometrics technology over traditional biometrics. The framework encapsulates four distinct components: ApparelNet, which verifies essential and auxiliary attachments; A-Net, which measures anthropometric soft biometrics; OneDetect, which predicts global soft biometrics; and RSFS, which develops a set of highly relevant and supportive soft biometrics for verification. The proposed framework addresses several critical limitations of existing biometrics technologies during the verification process at border entry points, such as intrusive behavior, response time, biometric tampering, and privacy issues. The proposed multi-channel soft biometrics framework has been evaluated using several benchmark datasets in the field, such as Front-view Gait (FVG), Pedestrian Attribute Recognition At Far Distance (PETA), and Multimedia and Vision (MMV) Pedestrian. Using heterogeneous datasets enables the testing of each framework component or channel against numerous constrained and unconstrained scenarios. The outcome of the envisioned multi-channel soft biometrics framework is presented based on distinct outcomes from each channel, but it remains focused on determining a single cumulative verification score for verification at border control. In addition, this multi-channel soft biometrics framework has extended applications in several fields, including crowd surveillance, the fashion industry, and e-learning

UFPR-Periocular: A Periocular Dataset Collected by Mobile Devices in Unconstrained Scenarios

Recently, ocular biometrics in unconstrained environments using images obtained at visible wavelength have gained the researchers' attention, especially with images captured by mobile devices. Periocular recognition has been demonstrated to be an alternative when the iris trait is not available due to occlusions or low image resolution. However, the periocular trait does not have the high uniqueness presented in the iris trait. Thus, the use of datasets containing many subjects is essential to assess biometric systems' capacity to extract discriminating information from the periocular region. Also, to address the within-class variability caused by lighting and attributes in the periocular region, it is of paramount importance to use datasets with images of the same subject captured in distinct sessions. As the datasets available in the literature do not present all these factors, in this work, we present a new periocular dataset containing samples from 1,122 subjects, acquired in 3 sessions by 196 different mobile devices. The images were captured under unconstrained environments with just a single instruction to the participants: to place their eyes on a region of interest. We also performed an extensive benchmark with several Convolutional Neural Network (CNN) architectures and models that have been employed in state-of-the-art approaches based on Multi-class Classification, Multitask Learning, Pairwise Filters Network, and Siamese Network. The results achieved in the closed- and open-world protocol, considering the identification and verification tasks, show that this area still needs research and development

Sistemas de posicionamento baseados em comunicação por luz para ambientes interiores

The demand for highly precise indoor positioning systems (IPSs) is growing rapidly due to its potential in the increasingly popular techniques of the Internet of Things, smart mobile devices, and artificial intelligence. IPS becomes a promising research domain that is getting wide attention due to its benefits in several working scenarios, such as, industries, indoor public locations, and autonomous navigation. Moreover, IPS has a prominent contribution in day-to-day activities in organizations such as health care centers, airports, shopping malls, manufacturing, underground locations, etc., for safe operating environments. In indoor environments, both radio frequency (RF) and optical wireless communication (OWC) based technologies could be adopted for localization. Although the RF-based global positioning system, such as, Global positioning system offers higher penetration rates with reduced accuracy (i.e., in the range of a few meters), it does not work well in indoor environments (and not at all in certain cases such as tunnels, mines, etc.) due to the very weak signal and no direct access to the satellites. On the other hand, the light-based system known as a visible light positioning (VLP) system, as part of the OWC systems, uses the pre-existing light-emitting diodes (LEDs)-based lighting infrastructure, could be used at low cost and high accuracy compared with the RF-based systems. VLP is an emerging technology promising high accuracy, high security, low deployment cost, shorter time response, and low relative complexity when compared with RFbased positioning. However, in indoor VLP systems, there are some concerns such as, multipath reflection, transmitter tilting, transmitter’s position, and orientation uncertainty, human shadowing/blocking, and noise causing the increase in the positioning error, thereby reducing the positioning accuracy of the system. Therefore, it is imperative to capture the characteristics of different VLP channel and properly model them for the dual purpose of illumination and localization. In this thesis, firstly, the impact of transmitter tilting angles and multipath reflections are studied and for the first time, it is demonstrated that tilting the transmitter can be beneficial in VLP systems considering both line of sight (LOS) and non-line of sight transmission paths. With the transmitters oriented towards the center of the receiving plane, the received power level is maximized due to the LOS components. It is also shown that the proposed scheme offers a significant accuracy improvement of up to ~66% compared with a typical non-tilted transmitter VLP. The effect of tilting the transmitter on the lighting uniformity is also investigated and results proved that the uniformity achieved complies with the European Standard EN 12464-1. After that, the impact of transmitter position and orientation uncertainty on the accuracy of the VLP system based on the received signal strength (RSS) is investigated. Simulation results show that the transmitter uncertainties have a severe impact on the positioning error, which can be leveraged through the usage of more transmitters. Concerning a smaller transmitter’s position epochs, and the size of the training set. It is shown that, the ANN with Bayesian regularization outperforms the traditional RSS technique using the non-linear least square estimation for all values of signal to noise ratio. Furthermore, a novel indoor VLP system is proposed based on support vector machines and polynomial regression considering two different multipath environments of an empty room and a furnished room. The results show that, in an empty room, the positioning accuracy improvement for the positioning error of 2.5 cm are 36.1, 58.3, and 72.2 % for three different scenarios according to the regions’ distribution in the room. For the furnished room, a positioning relative accuracy improvement of 214, 170, and 100 % is observed for positioning error of 0.1, 0.2, and 0.3 m, respectively. Ultimately, an indoor VLP system based on convolutional neural networks (CNN) is proposed and demonstrated experimentally in which LEDs are used as transmitters and a rolling shutter camera is used as receiver. A detection algorithm named single shot detector (SSD) is used which relies on CNN (i.e., MobileNet or ResNet) for classification as well as position estimation of each LED in the image. The system is validated using a real-world size test setup containing eight LED luminaries. The obtained results show that the maximum average root mean square positioning error achieved is 4.67 and 5.27 cm with SSD MobileNet and SSD ResNet models, respectively. The validation results show that the system can process 67 images per second, allowing real-time positioning.A procura por sistemas de posicionamento interior (IPSs) de alta precisão tem crescido rapidamente devido ao seu interesse nas técnicas cada vez mais populares da Internet das Coisas, dispositivos móveis inteligentes e inteligência artificial. O IPS tornou-se um domínio de pesquisa promissor que tem atraído grande atenção devido aos seus benefícios em vários cenários de trabalho, como indústrias, locais públicos e navegação autónoma. Além disso, o IPS tem uma contribuição destacada no dia a dia de organizações, como, centros de saúde, aeroportos, supermercados, fábricas, locais subterrâneos, etc. As tecnologias baseadas em radiofrequência (RF) e comunicação óptica sem fio (OWC) podem ser adotadas para localização em ambientes interiores. Embora o sistema de posicionamento global (GPS) baseado em RF ofereça taxas de penetração mais altas com precisão reduzida (ou seja, na faixa de alguns metros), não funciona bem em ambientes interiores (e não funciona bem em certos casos como túneis, minas, etc.) devido ao sinal muito fraco e falta de acesso direto aos satélites. Por outro lado, o sistema baseado em luz conhecido como sistema de posicionamento de luz visível (VLP), como parte dos sistemas OWC, usa a infraestrutura de iluminação baseada em díodos emissores de luz (LEDs) pré-existentes, é um sistemas de baixo custo e alta precisão quando comprado com os sistemas baseados em RF. O VLP é uma tecnologia emergente que promete alta precisão, alta segurança, baixo custo de implantação, menor tempo de resposta e baixa complexidade relativa quando comparado ao posicionamento baseado em RF. No entanto, os sistemas VLP interiores, exibem algumas limitações, como, a reflexão multicaminho, inclinação do transmissor, posição do transmissor e incerteza de orientação, sombra/bloqueio humano e ruído, que têm como consequência o aumento do erro de posicionamento, e consequente redução da precisão do sistema. Portanto, é imperativo estudar as características dos diferentes canais VLP e modelá-los adequadamente para o duplo propósito de iluminação e localização. Esta tesa aborda, primeiramente, o impacto dos ângulos de inclinação do transmissor e reflexões multipercurso no desempenho do sistema de posicionamento. Demonstra-se que a inclinação do transmissor pode ser benéfica em sistemas VLP considerando tanto a linha de vista (LOS) como as reflexões. Com os transmissores orientados para o centro do plano recetor, o nível de potência recebido é maximizado devido aos componentes LOS. Também é mostrado que o esquema proposto oferece uma melhoria significativa de precisão de até ~66% em comparação com um sistema VLP de transmissor não inclinado típico. O efeito da inclinação do transmissor na uniformidade da iluminação também é investigado e os resultados comprovam que a uniformidade alcançada está de acordo com a Norma Europeia EN 12464-1. O impacto da posição do transmissor e incerteza de orientação na precisão do sistema VLP com base na intensidade do sinal recebido (RSS) foi também investigado. Os resultados da simulação mostram que as incertezas do transmissor têm um impacto severo no erro de posicionamento, que pode ser atenuado com o uso de mais transmissores. Para incertezas de posicionamento dos transmissores menores que 5 cm, os erros médios de posicionamento são 23.3, 15.1 e 13.2 cm para conjuntos de 4, 9 e 16 transmissores, respetivamente. Enquanto que, para a incerteza de orientação de um transmissor menor de 5°, os erros médios de posicionamento são 31.9, 20.6 e 17 cm para conjuntos de 4, 9 e 16 transmissores, respetivamente. O trabalho da tese abordou a investigação dos aspetos de projeto de um sistema VLP indoor no qual uma rede neuronal artificial (ANN) é utilizada para estimativa de posicionamento considerando um canal multipercurso. O estudo considerou a influência do ruído como indicador de desempenho para a comparação entre diferentes abordagens de projeto. Três algoritmos de treino de ANNs diferentes foram considerados, a saber, Levenberg-Marquardt, regularização Bayesiana e algoritmos de gradiente conjugado escalonado, para minimizar o erro de posicionamento no sistema VLP. O projeto da ANN foi otimizado com base no número de neurónios nas camadas ocultas, no número de épocas de treino e no tamanho do conjunto de treino. Mostrou-se que, a ANN com regularização Bayesiana superou a técnica RSS tradicional usando a estimação não linear dos mínimos quadrados para todos os valores da relação sinal-ruído. Foi proposto um novo sistema VLP indoor baseado em máquinas de vetores de suporte (SVM) e regressão polinomial considerando dois ambientes interiores diferentes: uma sala vazia e uma sala mobiliada. Os resultados mostraram que, numa sala vazia, a melhoria da precisão de posicionamento para o erro de posicionamento de 2.5 cm são 36.1, 58.3 e 72.2% para três cenários diferentes de acordo com a distribuição das regiões na sala. Para a sala mobiliada, uma melhoria de precisão relativa de posicionamento de 214, 170 e 100% é observada para erro de posicionamento de 0.1, 0.2 e 0.3 m, respetivamente. Finalmente, foi proposto um sistema VLP indoor baseado em redes neurais convolucionais (CNN). O sistema foi demonstrado experimentalmente usando luminárias LED como transmissores e uma camara com obturador rotativo como recetor. O algoritmo de detecção usou um detector de disparo único (SSD) baseado numa CNN pré configurada (ou seja, MobileNet ou ResNet) para classificação. O sistema foi validado usando uma configuração de teste de tamanho real contendo oito luminárias LED. Os resultados obtidos mostraram que o erro de posicionamento quadrático médio alcançado é de 4.67 e 5.27 cm com os modelos SSD MobileNet e SSD ResNet, respetivamente. Os resultados da validação mostram que o sistema pode processar 67 imagens por segundo, permitindo o posicionamento em tempo real.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic