Some Information Geometric Aspects of Cyber Security by Face Recognition

From MDPI via Jisc Publications RouterHistory: accepted 2021-06-29, pub-electronic 2021-07-09Publication status: PublishedSecure user access to devices and datasets is widely enabled by fingerprint or face recognition. Organization of the necessarily large secure digital object datasets, with objects having content that may consist of images, text, video or audio, involves efficient classification and feature retrieval processing. This usually will require multidimensional methods applicable to data that is represented through a family of probability distributions. Then information geometry is an appropriate context in which to provide for such analytic work, whether with maximum likelihood fitted distributions or empirical frequency distributions. The important provision is of a natural geometric measure structure on families of probability distributions by representing them as Riemannian manifolds. Then the distributions are points lying in this geometrical manifold, different features can be identified and dissimilarities computed, so that neighbourhoods of objects nearby a given example object can be constructed. This can reveal clustering and projections onto smaller eigen-subspaces which can make comparisons easier to interpret. Geodesic distances can be used as a natural dissimilarity metric applied over data described by probability distributions. Exploring this property, we propose a new face recognition method which scores dissimilarities between face images by multiplying geodesic distance approximations between 3-variate RGB Gaussians representative of colour face images, and also obtaining joint probabilities. The experimental results show that this new method is more successful in recognition rates than published comparative state-of-the-art methods

Face recognition using customized orthogonal locality preserving projections with soft margin maximization

Atualmente, o reconhecimento facial por técnicas automáticas é ainda uma tarefa desafiadora uma vez que as imagens faciais podem ser afetadas por mudanças na cena, tais como na iluminação, na pose da cabeça, ou na expressão facial. Além disso, a representação de faces por feições faciais geralmente requer diversas dimensões, o que impõe desafios adicionais ao reconhecimento facial. Nessa tese, é proposto um novo método de reconhecimento facial com o objetivo de ser robusto a muitos dos fatores que podem afetar as feições faciais na prática e se baseia em determinar transformações do espaço original de feições faciais de alta dimensionalidade para um espaço de baixa dimensionalidade que apresenta maior discriminação das classes de dados faciais (indivíduos). Isso é realizado através da aplicação de um método Projeções Ortogonais Preservadoras de Localidade (Orthogonal Locality Preserving Projections - OLPP) modificado, que usa esquemas de definição de localidade supervisionados que têm o objetivo de preservar a estrutura das classes de dados faciais no espaço resultante de baixa dimensionalidade, diferentemente do método OLPP típico que preserva a estrutura dos dados faciais. Dessa forma, as classes se tornam mais compactas, preservando a métrica de classificação. O método proposto pode trabalhar tanto com representações densas como esparsas de imagens faciais (ou seja, ele pode usar subconjuntos ou todos os pixels das imagens faciais), sendo proposto nessa tese um método de extração de feições faciais esparsas e um método de extração de feições faciais densas que preservam a informação de cor das imagens faciais apresentando melhora em relação ao método OLPP típico que usa imagens em escalas de cinza em baixa resolução. Novas imagens faciais de teste são classificadas no espaço de baixa dimensionalidade obtido usando Máquinas de Vetores de Suporte (Support Vector Machines - SVM) treinadas com margens suaves, apresentando maior eficiência do que a regra do vizinho mais próximo usada no método OLPP típico. Um conjunto de experimentos foi projetado para avaliar o método proposto sob várias condições encontradas na prática (como mudanças na pose, expressão facial, iluminação e a presença de artefatos que causam oclusão facial). Os resultados experimentais foram obtidos usando cinco bases de imagens faciais públicas (a PUT, a FEI, a FERET, a Yale e a ORL). Esses experimentos confirmam que os esquemas propostos de extração de feições faciais integrados à transformação proposta para um espaço discriminativo de baixa dimensionalidade empregando o esquema alternativo de classificação usando SVM com margens suaves obtêm maiores taxas de reconhecimento do que o próprio método OLPP e métodos representativos do estado da arte mesmo quando são usadas imagens coloridas em alta resolução (das bases de imagens faciais PUT, FEI e FERET) como imagens faciais em escalas de cinza em baixa resolução (das bases Yale e ORL).Nowadays, face recognition by automatic techniques still is a challenging task since face images may be affected by changes in the scene, such as in the illumination, head pose or face expression. Also, face feature representation often requires several dimensions, which poses additional challenges for face recognition. In this thesis is proposed a novel face recognition method with the objective of to be robust to many issues which can affect the face features in practice and it is based on projections of high dimensional face image representations into lower dimensionality and highly discriminative spaces. This is achieved by a modified Orthogonal Locality Preserving Projections (OLPP) method that uses a supervised alternative locality definition scheme designed to preserve the face class (individuals) structure in the obtained lower dimensionality face feature space unlike the typical OLPP method which preserves the face data structure. Besides, a new kernel equation is proposed to calculate affinities among face samples, presenting better class structure preservation when compared to the heat kernel used by the typical OLPP method. The proposed method can work with sparse and dense face image representations (i.e. it can use sub-sets or all face image pixels), and a sparse and a dense feature extraction methods are proposed, which preserve the color information during the feature extraction process from the facial images improving on the typical OLPP method which uses grayscale low-resolution face images. New test face images are classified in the obtained lower dimensionality feature space using a trained soft margins Support Vector Machine (SVM), so it performs better than the nearest neighbor rule used in the typical OLPP method. A set of experiments was designed to evaluate the proposed method under various conditions found in practice (such as changes in head pose, face expression, illumination, and in the presence of occlusion artifacts). The experimental results were obtained using five challenging public face databases (namely, PUT, FEI, FERET, Yale and ORL). These experiments confirm that the proposed feature extraction method integrated to the proposed transformation to a discriminative lower dimensionality space using the alternative classification scheme with SVM and soft margins obtains higher recognition rates than the OLPP method itself and methods representative of the state-ofthe- art even when are used color (RGB) face images in high resolution (PUT, FEI and FERET face databases) as well as grayscale face images in low resolution (Yale and ORL face databases)

Face recognition using customized orthogonal locality preserving projections with soft margin maximization

Atualmente, o reconhecimento facial por técnicas automáticas é ainda uma tarefa desafiadora uma vez que as imagens faciais podem ser afetadas por mudanças na cena, tais como na iluminação, na pose da cabeça, ou na expressão facial. Além disso, a representação de faces por feições faciais geralmente requer diversas dimensões, o que impõe desafios adicionais ao reconhecimento facial. Nessa tese, é proposto um novo método de reconhecimento facial com o objetivo de ser robusto a muitos dos fatores que podem afetar as feições faciais na prática e se baseia em determinar transformações do espaço original de feições faciais de alta dimensionalidade para um espaço de baixa dimensionalidade que apresenta maior discriminação das classes de dados faciais (indivíduos). Isso é realizado através da aplicação de um método Projeções Ortogonais Preservadoras de Localidade (Orthogonal Locality Preserving Projections - OLPP) modificado, que usa esquemas de definição de localidade supervisionados que têm o objetivo de preservar a estrutura das classes de dados faciais no espaço resultante de baixa dimensionalidade, diferentemente do método OLPP típico que preserva a estrutura dos dados faciais. Dessa forma, as classes se tornam mais compactas, preservando a métrica de classificação. O método proposto pode trabalhar tanto com representações densas como esparsas de imagens faciais (ou seja, ele pode usar subconjuntos ou todos os pixels das imagens faciais), sendo proposto nessa tese um método de extração de feições faciais esparsas e um método de extração de feições faciais densas que preservam a informação de cor das imagens faciais apresentando melhora em relação ao método OLPP típico que usa imagens em escalas de cinza em baixa resolução. Novas imagens faciais de teste são classificadas no espaço de baixa dimensionalidade obtido usando Máquinas de Vetores de Suporte (Support Vector Machines - SVM) treinadas com margens suaves, apresentando maior eficiência do que a regra do vizinho mais próximo usada no método OLPP típico. Um conjunto de experimentos foi projetado para avaliar o método proposto sob várias condições encontradas na prática (como mudanças na pose, expressão facial, iluminação e a presença de artefatos que causam oclusão facial). Os resultados experimentais foram obtidos usando cinco bases de imagens faciais públicas (a PUT, a FEI, a FERET, a Yale e a ORL). Esses experimentos confirmam que os esquemas propostos de extração de feições faciais integrados à transformação proposta para um espaço discriminativo de baixa dimensionalidade empregando o esquema alternativo de classificação usando SVM com margens suaves obtêm maiores taxas de reconhecimento do que o próprio método OLPP e métodos representativos do estado da arte mesmo quando são usadas imagens coloridas em alta resolução (das bases de imagens faciais PUT, FEI e FERET) como imagens faciais em escalas de cinza em baixa resolução (das bases Yale e ORL).Nowadays, face recognition by automatic techniques still is a challenging task since face images may be affected by changes in the scene, such as in the illumination, head pose or face expression. Also, face feature representation often requires several dimensions, which poses additional challenges for face recognition. In this thesis is proposed a novel face recognition method with the objective of to be robust to many issues which can affect the face features in practice and it is based on projections of high dimensional face image representations into lower dimensionality and highly discriminative spaces. This is achieved by a modified Orthogonal Locality Preserving Projections (OLPP) method that uses a supervised alternative locality definition scheme designed to preserve the face class (individuals) structure in the obtained lower dimensionality face feature space unlike the typical OLPP method which preserves the face data structure. Besides, a new kernel equation is proposed to calculate affinities among face samples, presenting better class structure preservation when compared to the heat kernel used by the typical OLPP method. The proposed method can work with sparse and dense face image representations (i.e. it can use sub-sets or all face image pixels), and a sparse and a dense feature extraction methods are proposed, which preserve the color information during the feature extraction process from the facial images improving on the typical OLPP method which uses grayscale low-resolution face images. New test face images are classified in the obtained lower dimensionality feature space using a trained soft margins Support Vector Machine (SVM), so it performs better than the nearest neighbor rule used in the typical OLPP method. A set of experiments was designed to evaluate the proposed method under various conditions found in practice (such as changes in head pose, face expression, illumination, and in the presence of occlusion artifacts). The experimental results were obtained using five challenging public face databases (namely, PUT, FEI, FERET, Yale and ORL). These experiments confirm that the proposed feature extraction method integrated to the proposed transformation to a discriminative lower dimensionality space using the alternative classification scheme with SVM and soft margins obtains higher recognition rates than the OLPP method itself and methods representative of the state-ofthe- art even when are used color (RGB) face images in high resolution (PUT, FEI and FERET face databases) as well as grayscale face images in low resolution (Yale and ORL face databases)

Some Information Geometric Aspects of Cyber Security by Face Recognition

Secure user access to devices and datasets is widely enabled by fingerprint or face recognition. Organization of the necessarily large secure digital object datasets, with objects having content that may consist of images, text, video or audio, involves efficient classification and feature retrieval processing. This usually will require multidimensional methods applicable to data that is represented through a family of probability distributions. Then information geometry is an appropriate context in which to provide for such analytic work, whether with maximum likelihood fitted distributions or empirical frequency distributions. The important provision is of a natural geometric measure structure on families of probability distributions by representing them as Riemannian manifolds. Then the distributions are points lying in this geometrical manifold, different features can be identified and dissimilarities computed, so that neighbourhoods of objects nearby a given example object can be constructed. This can reveal clustering and projections onto smaller eigen-subspaces which can make comparisons easier to interpret. Geodesic distances can be used as a natural dissimilarity metric applied over data described by probability distributions. Exploring this property, we propose a new face recognition method which scores dissimilarities between face images by multiplying geodesic distance approximations between $3$-variate RGB Gaussians representative of colour face images, and also obtaining joint probabilities. The experimental results show that this new method is more successful in recognition rates than published comparative state-of-the-art methods