Directional Privacy for Deep Learning

Differentially Private Stochastic Gradient Descent (DP-SGD) is a key method for applying privacy in the training of deep learning models. This applies isotropic Gaussian noise to gradients during training, which can perturb these gradients in any direction, damaging utility. Metric DP, however, can provide alternative mechanisms based on arbitrary metrics that might be more suitable. In this paper we apply \textit{directional privacy}, via a mechanism based on the von Mises-Fisher (VMF) distribution, to perturb gradients in terms of \textit{angular distance} so that gradient direction is broadly preserved. We show that this provides $\epsilon d$-privacy for deep learning training, rather than the $(\epsilon, \delta)$-privacy of the Gaussian mechanism; and that experimentally, on key datasets, the VMF mechanism can outperform the Gaussian in the utility-privacy trade-off

Multimodal analysis of disinformation and misinformation

The use of disinformation and misinformation campaigns in the media has attracted much attention from academics and policy-makers. Multimodal analysis or the analysis of two or more semiotic systems—language, gestures, images, sounds, among others—in their interrelation and interaction is essential to understanding dis-/misinformation efforts because most human communication goes beyond just words. There is a confluence of many disciplines (e.g. computer science, linguistics, political science, communication studies) that are developing methods and analytical models of multimodal communication. This literature review brings research strands from these disciplines together, providing a map of the multi- and interdisciplinary landscape for multimodal analysis of dis-/misinformation. It records the substantial growth starting from the second quarter of 2020—the start of the COVID-19 epidemic in Western Europe—in the number of studies on multimodal dis-/misinformation coming from the field of computer science. The review examines that category of studies in more detail. Finally, the review identifies gaps in multimodal research on dis-/misinformation and suggests ways to bridge these gaps including future cross-disciplinary research directions. Our review provides scholars from different disciplines working on dis-/misinformation with a much needed bird's-eye view of the rapidly emerging research of multimodal dis-/misinformation

Unsupervised quantification of entity consistency between photos and text in real-world news

Das World Wide Web und die sozialen Medien übernehmen im heutigen Informationszeitalter eine wichtige Rolle für die Vermittlung von Nachrichten und Informationen. In der Regel werden verschiedene Modalitäten im Sinne der Informationskodierung wie beispielsweise Fotos und Text verwendet, um Nachrichten effektiver zu vermitteln oder Aufmerksamkeit zu erregen. Kommunikations- und Sprachwissenschaftler erforschen das komplexe Zusammenspiel zwischen Modalitäten seit Jahrzehnten und haben unter Anderem untersucht, wie durch die Kombination der Modalitäten zusätzliche Informationen oder eine neue Bedeutungsebene entstehen können. Die Anzahl gemeinsamer Konzepte oder Entitäten (beispielsweise Personen, Orte und Ereignisse) zwischen Fotos und Text stellen einen wichtigen Aspekt für die Bewertung der Gesamtaussage und Bedeutung eines multimodalen Artikels dar. Automatisierte Ansätze zur Quantifizierung von Bild-Text-Beziehungen können für zahlreiche Anwendungen eingesetzt werden. Sie ermöglichen beispielsweise eine effiziente Exploration von Nachrichten, erleichtern die semantische Suche von Multimedia-Inhalten in (Web)-Archiven oder unterstützen menschliche Analysten bei der Evaluierung der Glaubwürdigkeit von Nachrichten. Allerdings gibt es bislang nur wenige Ansätze, die sich mit der Quantifizierung von Beziehungen zwischen Fotos und Text beschäftigen. Diese Ansätze berücksichtigen jedoch nicht explizit die intermodalen Beziehungen von Entitäten, welche eine wichtige Rolle in Nachrichten darstellen, oder basieren auf überwachten multimodalen Deep-Learning-Techniken. Diese überwachten Lernverfahren können ausschließlich die intermodalen Beziehungen von Entitäten detektieren, die in annotierten Trainingsdaten enthalten sind. Um diese Forschungslücke zu schließen, wird in dieser Arbeit ein unüberwachter Ansatz zur Quantifizierung der intermodalen Konsistenz von Entitäten zwischen Fotos und Text in realen multimodalen Nachrichtenartikeln vorgestellt. Im ersten Teil dieser Arbeit werden neuartige Verfahren auf Basis von Deep Learning zur Extrahierung von Informationen aus Fotos vorgestellt, um Ereignisse (Events), Orte, Zeitangaben und Personen automatisch zu erkennen. Diese Verfahren bilden eine wichtige Voraussetzung, um die Beziehungen von Entitäten zwischen Bild und Text zu bewerten. Zunächst wird ein Ansatz zur Ereignisklassifizierung präsentiert, der neuartige Optimierungsfunktionen und Gewichtungsschemata nutzt um Ontologie-Informationen aus einer Wissensdatenbank in ein Deep-Learning-Verfahren zu integrieren. Das Training erfolgt anhand eines neu vorgestellten Datensatzes, der 570.540 Fotos und eine Ontologie mit 148 Ereignistypen enthält. Der Ansatz übertrifft die Ergebnisse von Referenzsystemen die keine strukturierten Ontologie-Informationen verwenden. Weiterhin wird ein DeepLearning-Ansatz zur Schätzung des Aufnahmeortes von Fotos vorgeschlagen, der Kontextinformationen über die Umgebung (Innen-, Stadt-, oder Naturaufnahme) und von Erdpartitionen unterschiedlicher Granularität verwendet. Die vorgeschlagene Lösung übertrifft die bisher besten Ergebnisse von aktuellen Forschungsarbeiten, obwohl diese deutlich mehr Fotos zum Training verwenden. Darüber hinaus stellen wir den ersten Datensatz zur Schätzung des Aufnahmejahres von Fotos vor, der mehr als eine Million Bilder aus den Jahren 1930 bis 1999 umfasst. Dieser Datensatz wird für das Training von zwei Deep-Learning-Ansätzen zur Schätzung des Aufnahmejahres verwendet, welche die Aufgabe als Klassifizierungs- und Regressionsproblem behandeln. Beide Ansätze erzielen sehr gute Ergebnisse und übertreffen Annotationen von menschlichen Probanden. Schließlich wird ein neuartiger Ansatz zur Identifizierung von Personen des öffentlichen Lebens und ihres gemeinsamen Auftretens in Nachrichtenfotos aus der digitalen Bibliothek Internet Archiv präsentiert. Der Ansatz ermöglicht es unstrukturierte Webdaten aus dem Internet Archiv mit Metadaten, beispielsweise zur semantischen Suche, zu erweitern. Experimentelle Ergebnisse haben die Effektivität des zugrundeliegenden Deep-Learning-Ansatzes zur Personenerkennung bestätigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird ein unüberwachtes System zur Quantifizierung von BildText-Beziehungen in realen Nachrichten vorgestellt. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren liefert es automatisch neuartige Maße der intermodalen Konsistenz für verschiedene Entitätstypen (Personen, Orte und Ereignisse) sowie den Gesamtkontext. Das System ist nicht auf vordefinierte Datensätze angewiesen, und kann daher mit der Vielzahl und Diversität von Entitäten und Themen in Nachrichten umgehen. Zur Extrahierung von Entitäten aus dem Text werden geeignete Methoden der natürlichen Sprachverarbeitung eingesetzt. Examplarbilder für diese Entitäten werden automatisch aus dem Internet beschafft. Die vorgeschlagenen Methoden zur Informationsextraktion aus Fotos werden auf die Nachrichten- und heruntergeladenen Exemplarbilder angewendet, um die intermodale Konsistenz von Entitäten zu quantifizieren. Es werden zwei Aufgaben untersucht um die Qualität des vorgeschlagenen Ansatzes in realen Anwendungen zu bewerten. Experimentelle Ergebnisse für die Dokumentverifikation und die Beschaffung von Nachrichten mit geringer (potenzielle Fehlinformation) oder hoher multimodalen Konsistenz zeigen den Nutzen und das Potenzial des Ansatzes zur Unterstützung menschlicher Analysten bei der Untersuchung von Nachrichten.In today’s information age, the World Wide Web and social media are important sources for news and information. Different modalities (in the sense of information encoding) such as photos and text are typically used to communicate news more effectively or to attract attention. Communication scientists, linguists, and semioticians have studied the complex interplay between modalities for decades and investigated, e.g., how their combination can carry additional information or add a new level of meaning. The number of shared concepts or entities (e.g., persons, locations, and events) between photos and text is an important aspect to evaluate the overall message and meaning of an article. Computational models for the quantification of image-text relations can enable many applications. For example, they allow for more efficient exploration of news, facilitate semantic search and multimedia retrieval in large (web) archives, or assist human assessors in evaluating news for credibility. To date, only a few approaches have been suggested that quantify relations between photos and text. However, they either do not explicitly consider the cross-modal relations of entities – which are important in the news – or rely on supervised deep learning approaches that can only detect the cross-modal presence of entities covered in the labeled training data. To address this research gap, this thesis proposes an unsupervised approach that can quantify entity consistency between photos and text in multimodal real-world news articles. The first part of this thesis presents novel approaches based on deep learning for information extraction from photos to recognize events, locations, dates, and persons. These approaches are an important prerequisite to measure the cross-modal presence of entities in text and photos. First, an ontology-driven event classification approach that leverages new loss functions and weighting schemes is presented. It is trained on a novel dataset of 570,540 photos and an ontology with 148 event types. The proposed system outperforms approaches that do not use structured ontology information. Second, a novel deep learning approach for geolocation estimation is proposed that uses additional contextual information on the environmental setting (indoor, urban, natural) and from earth partitions of different granularity. The proposed solution outperforms state-of-the-art approaches, which are trained with significantly more photos. Third, we introduce the first large-scale dataset for date estimation with more than one million photos taken between 1930 and 1999, along with two deep learning approaches that treat date estimation as a classification and regression problem. Both approaches achieve very good results that are superior to human annotations. Finally, a novel approach is presented that identifies public persons and their co-occurrences in news photos extracted from the Internet Archive, which collects time-versioned snapshots of web pages that are rarely enriched with metadata relevant to multimedia retrieval. Experimental results confirm the effectiveness of the deep learning approach for person identification. The second part of this thesis introduces an unsupervised approach capable of quantifying image-text relations in real-world news. Unlike related work, the proposed solution automatically provides novel measures of cross-modal consistency for different entity types (persons, locations, and events) as well as the overall context. The approach does not rely on any predefined datasets to cope with the large amount and diversity of entities and topics covered in the news. State-of-the-art tools for natural language processing are applied to extract named entities from the text. Example photos for these entities are automatically crawled from the Web. The proposed methods for information extraction from photos are applied to both news images and example photos to quantify the cross-modal consistency of entities. Two tasks are introduced to assess the quality of the proposed approach in real-world applications. Experimental results for document verification and retrieval of news with either low (potential misinformation) or high cross-modal similarities demonstrate the feasibility of the approach and its potential to support human assessors to study news

Navigating diverse datasets in the face of uncertainty

When exploring big volumes of data, one of the challenging aspects is their diversity of origin. Multiple files that have not yet been ingested into a database system may contain information of interest to a researcher, who must curate, understand and sieve their content before being able to extract knowledge. Performance is one of the greatest difficulties in exploring these datasets. On the one hand, examining non-indexed, unprocessed files can be inefficient. On the other hand, any processing before its understanding introduces latency and potentially unnecessary work if the chosen schema matches poorly the data. We have surveyed the state-of-the-art and, fortunately, there exist multiple proposal of solutions to handle data in-situ performantly. Another major difficulty is matching files from multiple origins since their schema and layout may not be compatible or properly documented. Most surveyed solutions overlook this problem, especially for numeric, uncertain data, as is typical in fields like astronomy. The main objective of our research is to assist data scientists during the exploration of unprocessed, numerical, raw data distributed across multiple files based solely on its intrinsic distribution. In this thesis, we first introduce the concept of Equally-Distributed Dependencies, which provides the foundations to match this kind of dataset. We propose PresQ, a novel algorithm that finds quasi-cliques on hypergraphs based on their expected statistical properties. The probabilistic approach of PresQ can be successfully exploited to mine EDD between diverse datasets when the underlying populations can be assumed to be the same. Finally, we propose a two-sample statistical test based on Self-Organizing Maps (SOM). This method can outperform, in terms of power, other classifier-based twosample tests, being in some cases comparable to kernel-based methods, with the advantage of being interpretable. Both PresQ and the SOM-based statistical test can provide insights that drive serendipitous discoveries.Uno de los mayores problemas del big data es el origen diverso de los datos. Un investigador puede estar interesado en agregar datos provenientes de múltiples ficheros que aún no han sido pre-procesados e insertados en un sistema de bases de datos, debiendo depurar y filtrar el contenido antes de poder extraer conocimiento. La exploración directa de estos ficheros presentará serios problemas de rendimiento: examinar archivos sin ningún tipo de preparación ni indexación puede ser ineficiente tanto en términos de lectura de datos como de tiempo de ejecución. Por otro lado, ingerirlos en un sistema de base de datos antes de entenderlos introduce latencia y trabajo potencialmente redundante si el esquema elegido no se ajusta a las consultas que se ejecutarán. Afortunadamente, nuestra revisión del estado del arte demuestra que existen múltiples soluciones posibles para explorar datos in-situ de manera efectiva. Otra gran dificultad es la gestión de archivos de diversas procedencias, ya que su esquema y disposición pueden no ser compatibles, o no estar correctamente documentados. La mayoría de las soluciones encontradas pasan por alto esta problemática, especialmente en lo referente a datos numéricos e inciertos, como, por ejemplo, aquellos relacionados con atributos físicos generados en campos como la astronomía. Nuestro objetivo principal es ayudar a los investigadores a explorar este tipo de datos sin procesamiento previo, almacenados en múltiples archivos, y empleando únicamente su distribución intrínseca. En esta tesis primero introducimos el concepto de Equally-Distributed Dependencies (EDD) (Dependencias de Igualdad de Distribución), estableciendo las bases necesarias para ser capaz de emparejar conjuntos de datos con esquemas diferentes, pero con atributos en común. Luego, presentamos PresQ, un nuevo algoritmo probabilístico de búsqueda de quasi-cliques en hiper-grafos. El enfoque estadístico de PresQ permite proyectar el problema de búsqueda de EDD en el de búsqueda de quasi-cliques. Por último, proponemos una prueba estadística basada en Self-Organizing Maps (SOM) (Mapa autoorganizado). Este método puede superar, en términos de poder estadístico, otras técnicas basadas en clasificadores, siendo en algunos casos comparable a métodos basados en kernels, con la ventaja adicional de ser interpretable. Tanto PresQ como la prueba estadística basada en SOM pueden impulsar descubrimientos serendípicos.211 página

Navigating Diverse Datasets in the Face of Uncertainty

When exploring big volumes of data, one of the challenging aspects is their diversity of origin. Multiple files that have not yet been ingested into a database system may contain information of interest to a researcher, who must curate, understand and sieve their content before being able to extract knowledge. Performance is one of the greatest difficulties in exploring these datasets. On the one hand, examining non-indexed, unprocessed files can be inefficient. On the other hand, any processing before its understanding introduces latency and potentially un- necessary work if the chosen schema matches poorly the data. We have surveyed the state-of-the-art and, fortunately, there exist multiple proposal of solutions to handle data in-situ performantly. Another major difficulty is matching files from multiple origins since their schema and layout may not be compatible or properly documented. Most surveyed solutions overlook this problem, especially for numeric, uncertain data, as is typical in fields like astronomy. The main objective of our research is to assist data scientists during the exploration of unprocessed, numerical, raw data distributed across multiple files based solely on its intrinsic distribution. In this thesis, we first introduce the concept of Equally-Distributed Dependencies, which provides the foundations to match this kind of dataset. We propose PresQ, a novel algorithm that finds quasi-cliques on hypergraphs based on their expected statistical properties. The probabilistic approach of PresQ can be successfully exploited to mine EDD between diverse datasets when the underlying populations can be assumed to be the same. Finally, we propose a two-sample statistical test based on Self-Organizing Maps (SOM). This method can outperform, in terms of power, other classifier-based two- sample tests, being in some cases comparable to kernel-based methods, with the advantage of being interpretable. Both PresQ and the SOM-based statistical test can provide insights that drive serendipitous discoveries

Exploiting Spatio-Temporal Coherence for Video Object Detection in Robotics

This paper proposes a method to enhance video object detection for indoor environments in robotics. Concretely, it exploits knowledge about the camera motion between frames to propagate previously detected objects to successive frames. The proposal is rooted in the concepts of planar homography to propose regions of interest where to find objects, and recursive Bayesian filtering to integrate observations over time. The proposal is evaluated on six virtual, indoor environments, accounting for the detection of nine object classes over a total of ∼ 7k frames. Results show that our proposal improves the recall and the F1-score by a factor of 1.41 and 1.27, respectively, as well as it achieves a significant reduction of the object categorization entropy (58.8%) when compared to a two-stage video object detection method used as baseline, at the cost of small time overheads (120 ms) and precision loss (0.92).</p