A Leopard Cannot Change Its Spots: Improving Face Recognition Using 3D-based Caricatures

Caricatures refer to a representation of aperson in which the distinctive features are deliberatelyexaggerated, with several studies showing that humansperform better at recognizing people from caricaturesthan using original images. Inspired by this observa-tion, this paper introduces the first fully automatedcaricature-based face recognition approach capable ofworking with data acquired in the wild. Our approachleverages the 3D face structure from a single 2D imageand compares it to a reference model for obtaininga compact representation of face features deviations.This descriptor is subsequently deformed using a ’mea-sure locally, weight globally’ strategy to resemble thecaricature drawing process. The deformed deviationsare incorporated in the 3D model using the Laplacianmesh deformation algorithm, and the 2D face cari-cature image is obtained by projecting the deformedmodel in the original camera-view. To demonstratethe advantages of caricature-based face recognition, wetrain the VGG-Face network from scratch using eitheroriginal face images (baseline) or caricatured images,and use these models for extracting face descriptorsfrom the LFW, IJB-A and MegaFace datasets. The ex-periments show an increase in the recognition accuracywhen using caricatures rather than original images.Moreover, our approach achieves competitive resultswith state-of-the-art face recognition methods, evenwithout explicitly tuning the network for any of theevaluation sets.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

QUIS-CAMPI: Biometric Recognition in Surveillance Scenarios

The concerns about individuals security have justified the increasing number of surveillance cameras deployed both in private and public spaces. However, contrary to popular belief, these devices are in most cases used solely for recording, instead of feeding intelligent analysis processes capable of extracting information about the observed individuals. Thus, even though video surveillance has already proved to be essential for solving multiple crimes, obtaining relevant details about the subjects that took part in a crime depends on the manual inspection of recordings. As such, the current goal of the research community is the development of automated surveillance systems capable of monitoring and identifying subjects in surveillance scenarios. Accordingly, the main goal of this thesis is to improve the performance of biometric recognition algorithms in data acquired from surveillance scenarios. In particular, we aim at designing a visual surveillance system capable of acquiring biometric data at a distance (e.g., face, iris or gait) without requiring human intervention in the process, as well as devising biometric recognition methods robust to the degradation factors resulting from the unconstrained acquisition process. Regarding the first goal, the analysis of the data acquired by typical surveillance systems shows that large acquisition distances significantly decrease the resolution of biometric samples, and thus their discriminability is not sufficient for recognition purposes. In the literature, diverse works point out Pan Tilt Zoom (PTZ) cameras as the most practical way for acquiring high-resolution imagery at a distance, particularly when using a master-slave configuration. In the master-slave configuration, the video acquired by a typical surveillance camera is analyzed for obtaining regions of interest (e.g., car, person) and these regions are subsequently imaged at high-resolution by the PTZ camera. Several methods have already shown that this configuration can be used for acquiring biometric data at a distance. Nevertheless, these methods failed at providing effective solutions to the typical challenges of this strategy, restraining its use in surveillance scenarios. Accordingly, this thesis proposes two methods to support the development of a biometric data acquisition system based on the cooperation of a PTZ camera with a typical surveillance camera. The first proposal is a camera calibration method capable of accurately mapping the coordinates of the master camera to the pan/tilt angles of the PTZ camera. The second proposal is a camera scheduling method for determining - in real-time - the sequence of acquisitions that maximizes the number of different targets obtained, while minimizing the cumulative transition time. In order to achieve the first goal of this thesis, both methods were combined with state-of-the-art approaches of the human monitoring field to develop a fully automated surveillance capable of acquiring biometric data at a distance and without human cooperation, designated as QUIS-CAMPI system. The QUIS-CAMPI system is the basis for pursuing the second goal of this thesis. The analysis of the performance of the state-of-the-art biometric recognition approaches shows that these approaches attain almost ideal recognition rates in unconstrained data. However, this performance is incongruous with the recognition rates observed in surveillance scenarios. Taking into account the drawbacks of current biometric datasets, this thesis introduces a novel dataset comprising biometric samples (face images and gait videos) acquired by the QUIS-CAMPI system at a distance ranging from 5 to 40 meters and without human intervention in the acquisition process. This set allows to objectively assess the performance of state-of-the-art biometric recognition methods in data that truly encompass the covariates of surveillance scenarios. As such, this set was exploited for promoting the first international challenge on biometric recognition in the wild. This thesis describes the evaluation protocols adopted, along with the results obtained by the nine methods specially designed for this competition. In addition, the data acquired by the QUIS-CAMPI system were crucial for accomplishing the second goal of this thesis, i.e., the development of methods robust to the covariates of surveillance scenarios. The first proposal regards a method for detecting corrupted features in biometric signatures inferred by a redundancy analysis algorithm. The second proposal is a caricature-based face recognition approach capable of enhancing the recognition performance by automatically generating a caricature from a 2D photo. The experimental evaluation of these methods shows that both approaches contribute to improve the recognition performance in unconstrained data.A crescente preocupação com a segurança dos indivíduos tem justificado o crescimento do número de câmaras de vídeo-vigilância instaladas tanto em espaços privados como públicos. Contudo, ao contrário do que normalmente se pensa, estes dispositivos são, na maior parte dos casos, usados apenas para gravação, não estando ligados a nenhum tipo de software inteligente capaz de inferir em tempo real informações sobre os indivíduos observados. Assim, apesar de a vídeo-vigilância ter provado ser essencial na resolução de diversos crimes, o seu uso está ainda confinado à disponibilização de vídeos que têm que ser manualmente inspecionados para extrair informações relevantes dos sujeitos envolvidos no crime. Como tal, atualmente, o principal desafio da comunidade científica é o desenvolvimento de sistemas automatizados capazes de monitorizar e identificar indivíduos em ambientes de vídeo-vigilância. Esta tese tem como principal objetivo estender a aplicabilidade dos sistemas de reconhecimento biométrico aos ambientes de vídeo-vigilância. De forma mais especifica, pretende-se 1) conceber um sistema de vídeo-vigilância que consiga adquirir dados biométricos a longas distâncias (e.g., imagens da cara, íris, ou vídeos do tipo de passo) sem requerer a cooperação dos indivíduos no processo; e 2) desenvolver métodos de reconhecimento biométrico robustos aos fatores de degradação inerentes aos dados adquiridos por este tipo de sistemas. No que diz respeito ao primeiro objetivo, a análise aos dados adquiridos pelos sistemas típicos de vídeo-vigilância mostra que, devido à distância de captura, os traços biométricos amostrados não são suficientemente discriminativos para garantir taxas de reconhecimento aceitáveis. Na literatura, vários trabalhos advogam o uso de câmaras Pan Tilt Zoom (PTZ) para adquirir imagens de alta resolução à distância, principalmente o uso destes dispositivos no modo masterslave. Na configuração master-slave um módulo de análise inteligente seleciona zonas de interesse (e.g. carros, pessoas) a partir do vídeo adquirido por uma câmara de vídeo-vigilância e a câmara PTZ é orientada para adquirir em alta resolução as regiões de interesse. Diversos métodos já mostraram que esta configuração pode ser usada para adquirir dados biométricos à distância, ainda assim estes não foram capazes de solucionar alguns problemas relacionados com esta estratégia, impedindo assim o seu uso em ambientes de vídeo-vigilância. Deste modo, esta tese propõe dois métodos para permitir a aquisição de dados biométricos em ambientes de vídeo-vigilância usando uma câmara PTZ assistida por uma câmara típica de vídeo-vigilância. O primeiro é um método de calibração capaz de mapear de forma exata as coordenadas da câmara master para o ângulo da câmara PTZ (slave) sem o auxílio de outros dispositivos óticos. O segundo método determina a ordem pela qual um conjunto de sujeitos vai ser observado pela câmara PTZ. O método proposto consegue determinar em tempo-real a sequência de observações que maximiza o número de diferentes sujeitos observados e simultaneamente minimiza o tempo total de transição entre sujeitos. De modo a atingir o primeiro objetivo desta tese, os dois métodos propostos foram combinados com os avanços alcançados na área da monitorização de humanos para assim desenvolver o primeiro sistema de vídeo-vigilância completamente automatizado e capaz de adquirir dados biométricos a longas distâncias sem requerer a cooperação dos indivíduos no processo, designado por sistema QUIS-CAMPI. O sistema QUIS-CAMPI representa o ponto de partida para iniciar a investigação relacionada com o segundo objetivo desta tese. A análise do desempenho dos métodos de reconhecimento biométrico do estado-da-arte mostra que estes conseguem obter taxas de reconhecimento quase perfeitas em dados adquiridos sem restrições (e.g., taxas de reconhecimento maiores do que 99% no conjunto de dados LFW). Contudo, este desempenho não é corroborado pelos resultados observados em ambientes de vídeo-vigilância, o que sugere que os conjuntos de dados atuais não contêm verdadeiramente os fatores de degradação típicos dos ambientes de vídeo-vigilância. Tendo em conta as vulnerabilidades dos conjuntos de dados biométricos atuais, esta tese introduz um novo conjunto de dados biométricos (imagens da face e vídeos do tipo de passo) adquiridos pelo sistema QUIS-CAMPI a uma distância máxima de 40m e sem a cooperação dos sujeitos no processo de aquisição. Este conjunto permite avaliar de forma objetiva o desempenho dos métodos do estado-da-arte no reconhecimento de indivíduos em imagens/vídeos capturados num ambiente real de vídeo-vigilância. Como tal, este conjunto foi utilizado para promover a primeira competição de reconhecimento biométrico em ambientes não controlados. Esta tese descreve os protocolos de avaliação usados, assim como os resultados obtidos por 9 métodos especialmente desenhados para esta competição. Para além disso, os dados adquiridos pelo sistema QUIS-CAMPI foram essenciais para o desenvolvimento de dois métodos para aumentar a robustez aos fatores de degradação observados em ambientes de vídeo-vigilância. O primeiro é um método para detetar características corruptas em assinaturas biométricas através da análise da redundância entre subconjuntos de características. O segundo é um método de reconhecimento facial baseado em caricaturas automaticamente geradas a partir de uma única foto do sujeito. As experiências realizadas mostram que ambos os métodos conseguem reduzir as taxas de erro em dados adquiridos de forma não controlada

3DAvatarGAN: Bridging Domains for Personalized Editable Avatars

Modern 3D-GANs synthesize geometry and texture by training on large-scale datasets with a consistent structure. Training such models on stylized, artistic data, with often unknown, highly variable geometry, and camera information has not yet been shown possible. Can we train a 3D GAN on such artistic data, while maintaining multi-view consistency and texture quality? To this end, we propose an adaptation framework, where the source domain is a pre-trained 3D-GAN, while the target domain is a 2D-GAN trained on artistic datasets. We then distill the knowledge from a 2D generator to the source 3D generator. To do that, we first propose an optimization-based method to align the distributions of camera parameters across domains. Second, we propose regularizations necessary to learn high-quality texture, while avoiding degenerate geometric solutions, such as flat shapes. Third, we show a deformation-based technique for modeling exaggerated geometry of artistic domains, enabling -- as a byproduct -- personalized geometric editing. Finally, we propose a novel inversion method for 3D-GANs linking the latent spaces of the source and the target domains. Our contributions -- for the first time -- allow for the generation, editing, and animation of personalized artistic 3D avatars on artistic datasets.Comment: Project Page: https://rameenabdal.github.io/3DAvatarGAN

Playing Lottery Tickets in Style Transfer Models

Style transfer has achieved great success and attracted a wide range of attention from both academic and industrial communities due to its flexible application scenarios. However, the dependence on a pretty large VGG-based autoencoder leads to existing style transfer models having high parameter complexities, which limits their applications on resource-constrained devices. Compared with many other tasks, the compression of style transfer models has been less explored. Recently, the lottery ticket hypothesis (LTH) has shown great potential in finding extremely sparse matching subnetworks which can achieve on par or even better performance than the original full networks when trained in isolation. In this work, we for the first time perform an empirical study to verify whether such trainable matching subnetworks also exist in style transfer models. Specifically, we take two most popular style transfer models, i.e., AdaIN and SANet, as the main testbeds, which represent global and local transformation based style transfer methods respectively. We carry out extensive experiments and comprehensive analysis, and draw the following conclusions. (1) Compared with fixing the VGG encoder, style transfer models can benefit more from training the whole network together. (2) Using iterative magnitude pruning, we find the matching subnetworks at 89.2% sparsity in AdaIN and 73.7% sparsity in SANet, which demonstrates that style transfer models can play lottery tickets too. (3) The feature transformation module should also be pruned to obtain a much sparser model without affecting the existence and quality of the matching subnetworks. (4) Besides AdaIN and SANet, other models such as LST, MANet, AdaAttN and MCCNet can also play lottery tickets, which shows that LTH can be generalized to various style transfer models