Advances in Image Processing, Analysis and Recognition Technology

For many decades, researchers have been trying to make computers’ analysis of images as effective as the system of human vision is. For this purpose, many algorithms and systems have previously been created. The whole process covers various stages, including image processing, representation and recognition. The results of this work can be applied to many computer-assisted areas of everyday life. They improve particular activities and provide handy tools, which are sometimes only for entertainment, but quite often, they significantly increase our safety. In fact, the practical implementation of image processing algorithms is particularly wide. Moreover, the rapid growth of computational complexity and computer efficiency has allowed for the development of more sophisticated and effective algorithms and tools. Although significant progress has been made so far, many issues still remain, resulting in the need for the development of novel approaches

Análise de propriedades intrínsecas e extrínsecas de amostras biométricas para detecção de ataques de apresentação

Orientadores: Anderson de Rezende Rocha, Hélio PedriniTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Os recentes avanços nas áreas de pesquisa em biometria, forense e segurança da informação trouxeram importantes melhorias na eficácia dos sistemas de reconhecimento biométricos. No entanto, um desafio ainda em aberto é a vulnerabilidade de tais sistemas contra ataques de apresentação, nos quais os usuários impostores criam amostras sintéticas, a partir das informações biométricas originais de um usuário legítimo, e as apresentam ao sensor de aquisição procurando se autenticar como um usuário válido. Dependendo da modalidade biométrica, os tipos de ataque variam de acordo com o tipo de material usado para construir as amostras sintéticas. Por exemplo, em biometria facial, uma tentativa de ataque é caracterizada quando um usuário impostor apresenta ao sensor de aquisição uma fotografia, um vídeo digital ou uma máscara 3D com as informações faciais de um usuário-alvo. Em sistemas de biometria baseados em íris, os ataques de apresentação podem ser realizados com fotografias impressas ou com lentes de contato contendo os padrões de íris de um usuário-alvo ou mesmo padrões de textura sintéticas. Nos sistemas biométricos de impressão digital, os usuários impostores podem enganar o sensor biométrico usando réplicas dos padrões de impressão digital construídas com materiais sintéticos, como látex, massa de modelar, silicone, entre outros. Esta pesquisa teve como objetivo o desenvolvimento de soluções para detecção de ataques de apresentação considerando os sistemas biométricos faciais, de íris e de impressão digital. As linhas de investigação apresentadas nesta tese incluem o desenvolvimento de representações baseadas nas informações espaciais, temporais e espectrais da assinatura de ruído; em propriedades intrínsecas das amostras biométricas (e.g., mapas de albedo, de reflectância e de profundidade) e em técnicas de aprendizagem supervisionada de características. Os principais resultados e contribuições apresentadas nesta tese incluem: a criação de um grande conjunto de dados publicamente disponível contendo aproximadamente 17K videos de simulações de ataques de apresentações e de acessos genuínos em um sistema biométrico facial, os quais foram coletados com a autorização do Comitê de Ética em Pesquisa da Unicamp; o desenvolvimento de novas abordagens para modelagem e análise de propriedades extrínsecas das amostras biométricas relacionadas aos artefatos que são adicionados durante a fabricação das amostras sintéticas e sua captura pelo sensor de aquisição, cujos resultados de desempenho foram superiores a diversos métodos propostos na literature que se utilizam de métodos tradicionais de análise de images (e.g., análise de textura); a investigação de uma abordagem baseada na análise de propriedades intrínsecas das faces, estimadas a partir da informação de sombras presentes em sua superfície; e, por fim, a investigação de diferentes abordagens baseadas em redes neurais convolucionais para o aprendizado automático de características relacionadas ao nosso problema, cujos resultados foram superiores ou competitivos aos métodos considerados estado da arte para as diferentes modalidades biométricas consideradas nesta tese. A pesquisa também considerou o projeto de eficientes redes neurais com arquiteturas rasas capazes de aprender características relacionadas ao nosso problema a partir de pequenos conjuntos de dados disponíveis para o desenvolvimento e a avaliação de soluções para a detecção de ataques de apresentaçãoAbstract: Recent advances in biometrics, information forensics, and security have improved the recognition effectiveness of biometric systems. However, an ever-growing challenge is the vulnerability of such systems against presentation attacks, in which impostor users create synthetic samples from the original biometric information of a legitimate user and show them to the acquisition sensor seeking to authenticate themselves as legitimate users. Depending on the trait used by the biometric authentication, the attack types vary with the type of material used to build the synthetic samples. For instance, in facial biometric systems, an attempted attack is characterized by the type of material the impostor uses such as a photograph, a digital video, or a 3D mask with the facial information of a target user. In iris-based biometrics, presentation attacks can be accomplished with printout photographs or with contact lenses containing the iris patterns of a target user or even synthetic texture patterns. In fingerprint biometric systems, impostor users can deceive the authentication process using replicas of the fingerprint patterns built with synthetic materials such as latex, play-doh, silicone, among others. This research aimed at developing presentation attack detection (PAD) solutions whose objective is to detect attempted attacks considering different attack types, in each modality. The lines of investigation presented in this thesis aimed at devising and developing representations based on spatial, temporal and spectral information from noise signature, intrinsic properties of the biometric data (e.g., albedo, reflectance, and depth maps), and supervised feature learning techniques, taking into account different testing scenarios including cross-sensor, intra-, and inter-dataset scenarios. The main findings and contributions presented in this thesis include: the creation of a large and publicly available benchmark containing 17K videos of presentation attacks and bona-fide presentations simulations in a facial biometric system, whose collect were formally authorized by the Research Ethics Committee at Unicamp; the development of novel approaches to modeling and analysis of extrinsic properties of biometric samples related to artifacts added during the manufacturing of the synthetic samples and their capture by the acquisition sensor, whose results were superior to several approaches published in the literature that use traditional methods for image analysis (e.g., texture-based analysis); the investigation of an approach based on the analysis of intrinsic properties of faces, estimated from the information of shadows present on their surface; and the investigation of different approaches to automatically learning representations related to our problem, whose results were superior or competitive to state-of-the-art methods for the biometric modalities considered in this thesis. We also considered in this research the design of efficient neural networks with shallow architectures capable of learning characteristics related to our problem from small sets of data available to develop and evaluate PAD solutionsDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da Computação140069/2016-0 CNPq, 142110/2017-5CAPESCNP

Advances in Document Layout Analysis

[EN] Handwritten Text Segmentation (HTS) is a task within the Document Layout Analysis field that aims to detect and extract the different page regions of interest found in handwritten documents. HTS remains an active topic, that has gained importance with the years, due to the increasing demand to provide textual access to the myriads of handwritten document collections held by archives and libraries. This thesis considers HTS as a task that must be tackled in two specialized phases: detection and extraction. We see the detection phase fundamentally as a recognition problem that yields the vertical positions of each region of interest as a by-product. The extraction phase consists in calculating the best contour coordinates of the region using the position information provided by the detection phase. Our proposed detection approach allows us to attack both higher level regions: paragraphs, diagrams, etc., and lower level regions like text lines. In the case of text line detection we model the problem to ensure that the system's yielded vertical position approximates the fictitious line that connects the lower part of the grapheme bodies in a text line, commonly known as the baseline. One of the main contributions of this thesis, is that the proposed modelling approach allows us to include prior information regarding the layout of the documents being processed. This is performed via a Vertical Layout Model (VLM). We develop a Hidden Markov Model (HMM) based framework to tackle both region detection and classification as an integrated task and study the performance and ease of use of the proposed approach in many corpora. We review the modelling simplicity of our approach to process regions at different levels of information: text lines, paragraphs, titles, etc. We study the impact of adding deterministic and/or probabilistic prior information and restrictions via the VLM that our approach provides. Having a separate phase that accurately yields the detection position (base- lines in the case of text lines) of each region greatly simplifies the problem that must be tackled during the extraction phase. In this thesis we propose to use a distance map that takes into consideration the grey-scale information in the image. This allows us to yield extraction frontiers which are equidistant to the adjacent text regions. We study how our approach escalates its accuracy proportionally to the quality of the provided detection vertical position. Our extraction approach gives near perfect results when human reviewed baselines are provided.[ES] La Segmentación de Texto Manuscrito (STM) es una tarea dentro del campo de investigación de Análisis de Estructura de Documentos (AED) que tiene como objetivo detectar y extraer las diferentes regiones de interés de las páginas que se encuentran en documentos manuscritos. La STM es un tema de investigación activo que ha ganado importancia con los años debido a la creciente demanda de proporcionar acceso textual a las miles de colecciones de documentos manuscritos que se conservan en archivos y bibliotecas. Esta tesis entiende la STM como una tarea que debe ser abordada en dos fases especializadas: detección y extracción. Consideramos que la fase de detección es, fundamentalmente, un problema de clasificación cuyo subproducto son las posiciones verticales de cada región de interés. Por su parte, la fase de extracción consiste en calcular las mejores coordenadas de contorno de la región utilizando la información de posición proporcionada por la fase de detección. Nuestro enfoque de detección nos permite atacar tanto regiones de alto nivel (párrafos, diagramas¿) como regiones de nivel bajo (líneas de texto principalmente). En el caso de la detección de líneas de texto, modelamos el problema para asegurar que la posición vertical estimada por el sistema se aproxime a la línea ficticia que conecta la parte inferior de los cuerpos de los grafemas en una línea de texto, comúnmente conocida como línea base. Una de las principales aportaciones de esta tesis es que el enfoque de modelización propuesto nos permite incluir información conocida a priori sobre la disposición de los documentos que se están procesando. Esto se realiza mediante un Modelo de Estructura Vertical (MEV). Desarrollamos un marco de trabajo basado en los Modelos Ocultos de Markov (MOM) para abordar tanto la detección de regiones como su clasificación de forma integrada, así como para estudiar el rendimiento y la facilidad de uso del enfoque propuesto en numerosos corpus. Así mismo, revisamos la simplicidad del modelado de nuestro enfoque para procesar regiones en diferentes niveles de información: líneas de texto, párrafos, títulos, etc. Finalmente, estudiamos el impacto de añadir información y restricciones previas deterministas o probabilistas a través de el MEV propuesto que nuestro enfoque proporciona. Disponer de un método independiente que obtiene con precisión la posición de cada región detectada (líneas base en el caso de las líneas de texto) simplifica enormemente el problema que debe abordarse durante la fase de extracción. En esta tesis proponemos utilizar un mapa de distancias que tiene en cuenta la información de escala de grises de la imagen. Esto nos permite obtener fronteras de extracción que son equidistantes a las regiones de texto adyacentes. Estudiamos como nuestro enfoque aumenta su precisión de manera proporcional a la calidad de la detección y descubrimos que da resultados casi perfectos cuando se le proporcionan líneas de base revisadas por humanos.[CA] La Segmentació de Text Manuscrit (STM) és una tasca dins del camp d'investigació d'Anàlisi d'Estructura de Documents (AED) que té com a objectiu detectar I extraure les diferents regions d'interès de les pàgines que es troben en documents manuscrits. La STM és un tema d'investigació actiu que ha guanyat importància amb els anys a causa de la creixent demanda per proporcionar accés textual als milers de col·leccions de documents manuscrits que es conserven en arxius i biblioteques. Aquesta tesi entén la STM com una tasca que ha de ser abordada en dues fases especialitzades: detecció i extracció. Considerem que la fase de detecció és, fonamentalment, un problema de classificació el subproducte de la qual són les posicions verticals de cada regió d'interès. Per la seva part, la fase d'extracció consisteix a calcular les millors coordenades de contorn de la regió utilitzant la informació de posició proporcionada per la fase de detecció. El nostre enfocament de detecció ens permet atacar tant regions d'alt nivell (paràgrafs, diagrames ...) com regions de nivell baix (línies de text principalment). En el cas de la detecció de línies de text, modelem el problema per a assegurar que la posició vertical estimada pel sistema s'aproximi a la línia fictícia que connecta la part inferior dels cossos dels grafemes en una línia de text, comunament coneguda com a línia base. Una de les principals aportacions d'aquesta tesi és que l'enfocament de modelització proposat ens permet incloure informació coneguda a priori sobre la disposició dels documents que s'estan processant. Això es realitza mitjançant un Model d'Estructura Vertical (MEV). Desenvolupem un marc de treball basat en els Models Ocults de Markov (MOM) per a abordar tant la detecció de regions com la seva classificació de forma integrada, així com per a estudiar el rendiment i la facilitat d'ús de l'enfocament proposat en nombrosos corpus. Així mateix, revisem la simplicitat del modelatge del nostre enfocament per a processar regions en diferents nivells d'informació: línies de text, paràgrafs, títols, etc. Finalment, estudiem l'impacte d'afegir informació i restriccions prèvies deterministes o probabilistes a través del MEV que el nostre mètode proporciona. Disposar d'un mètode independent que obté amb precisió la posició de cada regió detectada (línies base en el cas de les línies de text) simplifica enormement el problema que ha d'abordar-se durant la fase d'extracció. En aquesta tesi proposem utilitzar un mapa de distàncies que té en compte la informació d'escala de grisos de la imatge. Això ens permet obtenir fronteres d'extracció que són equidistants de les regions de text adjacents. Estudiem com el nostre enfocament augmenta la seva precisió de manera proporcional a la qualitat de la detecció i descobrim que dona resultats quasi perfectes quan se li proporcionen línies de base revisades per humans.Bosch Campos, V. (2020). Advances in Document Layout Analysis [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/138397TESI