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

Investigating Social Interactions Using Multi-Modal Nonverbal Features

Every day, humans are involved in social situations and interplays, with the goal of sharing emotions and thoughts, establishing relationships with or acting on other human beings. These interactions are possible thanks to what is called social intelligence, which is the ability to express and recognize social signals produced during the interactions. These signals aid the information exchange and are expressed through verbal and non-verbal behavioral cues, such as facial expressions, gestures, body pose or prosody. Recently, many works have demonstrated that social signals can be captured and analyzed by automatic systems, giving birth to a relatively new research area called social signal processing, which aims at replicating human social intelligence with machines. In this thesis, we explore the use of behavioral cues and computational methods for modeling and understanding social interactions. Concretely, we focus on several behavioral cues in three specic contexts: rst, we analyze the relationship between gaze and leadership in small group interactions. Second, we expand our analysis to face and head gestures in the context of deception detection in dyadic interactions. Finally, we analyze the whole body for group detection in mingling scenarios

REAL TIME BEST VIEW SELECTION IN CYBER-PHYSICAL ENVIRONMENTS

Master'sMASTER OF SCIENC

Identification, synchronisation and composition of user-generated videos

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Queen Mary University of LondonThe increasing availability of smartphones is facilitating people to capture videos of their experience when attending events such as concerts, sports competitions and public rallies. Smartphones are equipped with inertial sensors which could be beneficial for event understanding. The captured User-Generated Videos (UGVs) are made available on media sharing websites. Searching and mining of UGVs of the same event are challenging due to inconsistent tags or incorrect timestamps. A UGV recorded from a fixed location contains monotonic content and unintentional camera motions, which may make it less interesting to playback. In this thesis, we propose the following identification, synchronisation and video composition frameworks for UGVs. We propose a framework for the automatic identification and synchronisation of unedited multi-camera UGVs within a database. The proposed framework analyses the sound to match and cluster UGVs that capture the same spatio-temporal event, and estimate their relative time-shift to temporally align them. We design a novel descriptor derived from the pairwise matching of audio chroma features of UGVs. The descriptor facilitates the definition of a classification threshold for automatic query-by-example event identification. We contribute a database of 263 multi-camera UGVs of 48 real-world events. We evaluate the proposed framework on this database and compare it with state-of-the-art methods. Experimental results show the effectiveness of the proposed approach in the presence of audio degradations (channel noise, ambient noise, reverberations). Moreover, we present an automatic audio and visual-based camera selection framework for composing uninterrupted recording from synchronised multi-camera UGVs of the same event. We design an automatic audio-based cut-point selection method that provides a common reference for audio and video segmentation. To filter low quality video segments, spatial and spatio-temporal assessments are computed. The framework combines segments of UGVs using a rank-based camera selection strategy by considering visual quality scores and view diversity. The proposed framework is validated on a dataset of 13 events (93~UGVs) through subjective tests and compared with state-of-the-art methods. Suitable cut-point selection, specific visual quality assessments and rank-based camera selection contribute to the superiority of the proposed framework over the existing methods. Finally, we contribute a method for Camera Motion Detection using Gyroscope for UGVs captured from smartphones and design a gyro-based quality score for video composition. The gyroscope measures the angular velocity of the smartphone that can be use for camera motion analysis. We evaluate the proposed camera motion detection method on a dataset of 24 multi-modal UGVs captured by us, and compare it with existing visual and inertial sensor-based methods. By designing a gyro-based score to quantify the goodness of the multi-camera UGVs, we develop a gyro-based video composition framework. A gyro-based score substitutes the spatial and spatio-temporal scores and reduces the computational complexity. We contribute a multi-modal dataset of 3 events (12~UGVs), which is used to validate the proposed gyro-based video composition framework.El incremento de la disponibilidad de teléfonos inteligentes o smartphones posibilita a la gente capturar videos de sus experiencias cuando asisten a eventos así como como conciertos, competiciones deportivas o mítines públicos. Los Videos Generados por Usuarios (UGVs) pueden estar disponibles en sitios web públicos especializados en compartir archivos. La búsqueda y la minería de datos de los UGVs del mismo evento son un reto debido a que los etiquetajes son incoherentes o las marcas de tiempo erróneas. Por otra parte, un UGV grabado desde una ubicación fija, contiene información monótona y movimientos de cámara no intencionados haciendo menos interesante su reproducción. En esta tesis, se propone una identificación, sincronización y composición de tramas de vídeo para UGVs. Se ha propuesto un sistema para la identificación y sincronización automática de UGVs no editados provenientes de diferentes cámaras dentro de una base de datos. El sistema propuesto analiza el sonido con el fin de hacerlo coincidir e integrar UGVs que capturan el mismo evento en el espacio y en el tiempo, estimando sus respectivos desfases temporales y alinearlos en el tiempo. Se ha diseñado un nuevo descriptor a partir de la coincidencia por parejas de características de la croma del audio de los UGVs. Este descriptor facilita la determinación de una clasificación por umbral para una identificación de eventos automática basada en búsqueda mediante ejemplo (en inglés, query by example). Se ha contribuido con una base de datos de 263 multi-cámaras UGVs de un total de 48 eventos reales. Se ha evaluado la trama propuesta en esta base de datos y se ha comparado con los métodos elaborados en el estado del arte. Los resultados experimentales muestran la efectividad del enfoque propuesto con la presencia alteraciones en el audio. Además, se ha presentado una selección automática de tramas en base a la reproducción de video y audio componiendo una grabación ininterrumpida de multi-cámaras UGVs sincronizadas en el mismo evento. También se ha diseñado un método de selección de puntos de corte automático basado en audio que proporciona una referencia común para la segmentación de audio y video. Con el fin de filtrar segmentos de videos de baja calidad, se han calculado algunas medidas espaciales y espacio-temporales. El sistema combina segmentos de UGVs empleando una estrategia de selección de cámaras basadas en la evaluación a través de un ranking considerando puntuaciones de calidad visuales y diversidad de visión. El sistema propuesto se ha validado con un conjunto de datos de 13 eventos (93 UGVs) a través de pruebas subjetivas y se han comparado con los métodos elaborados en el estado del arte. La selección de puntos de corte adecuados, evaluaciones de calidad visual específicas y la selección de cámara basada en ranking contribuyen en la mejoría de calidad del sistema propuesto respecto a otros métodos existentes. Finalmente, se ha realizado un método para la Detección de Movimiento de Cámara usando giróscopos para las UGVs capturadas desde smartphones y se ha diseñado un método de puntuación de calidad basada en el giro. El método de detección de movimiento de la cámara con una base de datos de 24 UGVs multi-modales y se ha comparado con los métodos actuales basados en visión y sistemas inerciales. A través del diseño de puntuación para cuantificar con el giróscopo cuán bien funcionan los sistemas de UGVs con multi-cámara, se ha desarrollado un sistema de composición de video basada en el movimiento del giroscopio. Este sistema basado en la puntuación a través del giróscopo sustituye a los sistemas de puntuaciones basados en parámetros espacio-temporales reduciendo la complejidad computacional. Además, se ha contribuido con un conjunto de datos de 3 eventos (12 UGVs), que se han empleado para validar los sistemas de composición de video basados en giróscopo.Postprint (published version

Anonymous subject identification and privacy information management in video surveillance

The widespread deployment of surveillance cameras has raised serious privacy concerns, and many privacy-enhancing schemes have been recently proposed to automatically redact images of selected individuals in the surveillance video for protection. Of equal importance are the privacy and efficiency of techniques to first, identify those individuals for privacy protection and second, provide access to original surveillance video contents for security analysis. In this paper, we propose an anonymous subject identification and privacy data management system to be used in privacy-aware video surveillance. The anonymous subject identification system uses iris patterns to identify individuals for privacy protection. Anonymity of the iris-matching process is guaranteed through the use of a garbled-circuit (GC)-based iris matching protocol. A novel GC complexity reduction scheme is proposed by simplifying the iris masking process in the protocol. A user-centric privacy information management system is also proposed that allows subjects to anonymously access their privacy information via their iris patterns. The system is composed of two encrypted-domain protocols: The privacy information encryption protocol encrypts the original video records using the iris pattern acquired during the subject identification phase; the privacy information retrieval protocol allows the video records to be anonymously retrieved through a GC-based iris pattern matching process. Experimental results on a public iris biometric database demonstrate the validity of our framework