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

Image Manipulation and Image Synthesis

Image manipulation is of historic importance. Ever since the advent of photography, pictures have been manipulated for various reasons. Historic rulers often used image manipulation techniques for the purpose of self-portrayal or propaganda. In many cases, the goal is to manipulate human behaviour by spreading credible misinformation. Photographs, by their nature, portray the real world and as such are more credible to humans. However, image manipulation may not only serve evil purposes. In this thesis, we propose and analyse methods for image manipulation that serve a positive purpose. Specifically, we treat image manipulation as a tool for solving other tasks. For this, we model image manipulation as an image-to-image translation (I2I) task, i.e., a system that receives an image as input and outputs a manipulated version of the input. We propose multiple I2I based methods. We demonstrate that I2I based image manipulation methods can be used to reduce motion blur in videos. Second, we show that I2I based image manipulation methods can be used for domain adaptation and domain extension. Specifically, we present a method that significantly improves the learning of semantic segmentation from synthetic source data. The same technique can be applied to learning nighttime semantic segmentation from daylight images. Next, we show that I2I can be used to enable weakly supervised object segmentation. We show that each individual task requires and allows for different levels of supervision during the training of deep models in order to achieve best performance. We discuss the importance of maintaining control over the output of such methods and show that, with reduced levels of supervision, methods for maintaining stability during training and for establishing control over the output of a system become increasingly important. We propose multiple methods that solve the issues that arise in such systems. Finally, we demonstrate that our proposed mechanisms for control can be adapted to synthesise images from scratch