Data-centric Design and Training of Deep Neural Networks with Multiple Data Modalities for Vision-based Perception Systems

224 p.Los avances en visión artificial y aprendizaje automático han revolucionado la capacidad de construir sistemas que procesen e interpreten datos digitales, permitiéndoles imitar la percepción humana y abriendo el camino a un amplio rango de aplicaciones. En los últimos años, ambas disciplinas han logrado avances significativos,impulsadas por los progresos en las técnicas de aprendizaje profundo(deep learning). El aprendizaje profundo es una disciplina que utiliza redes neuronales profundas (DNNs, por sus siglas en inglés) para enseñar a las máquinas a reconocer patrones y hacer predicciones basadas en datos. Los sistemas de percepción basados en el aprendizaje profundo son cada vez más frecuentes en diversos campos, donde humanos y máquinas colaboran para combinar sus fortalezas.Estos campos incluyen la automoción, la industria o la medicina, donde mejorar la seguridad, apoyar el diagnóstico y automatizar tareas repetitivas son algunos de los objetivos perseguidos.Sin embargo, los datos son uno de los factores clave detrás del éxito de los algoritmos de aprendizaje profundo. La dependencia de datos limita fuertemente la creación y el éxito de nuevas DNN. La disponibilidad de datos de calidad para resolver un problema específico es esencial pero difícil de obtener, incluso impracticable,en la mayoría de los desarrollos. La inteligencia artificial centrada en datos enfatiza la importancia de usar datos de alta calidad que transmitan de manera efectiva lo que un modelo debe aprender. Motivada por los desafíos y la necesidad de los datos, esta tesis formula y valida cinco hipótesis sobre la adquisición y el impacto de los datos en el diseño y entrenamiento de las DNNs.Específicamente, investigamos y proponemos diferentes metodologías para obtener datos adecuados para entrenar DNNs en problemas con acceso limitado a fuentes de datos de gran escala. Exploramos dos posibles soluciones para la obtención de datos de entrenamiento, basadas en la generación de datos sintéticos. En primer lugar, investigamos la generación de datos sintéticos utilizando gráficos 3D y el impacto de diferentes opciones de diseño en la precisión de los DNN obtenidos. Además, proponemos una metodología para automatizar el proceso de generación de datos y producir datos anotados variados, mediante la replicación de un entorno 3D personalizado a partir de un archivo de configuración de entrada. En segundo lugar, proponemos una red neuronal generativa(GAN) que genera imágenes anotadas utilizando conjuntos de datos anotados limitados y datos sin anotaciones capturados en entornos no controlados

Building synthetic simulated environments for configuring and training multi-camera systems for surveillance applications

[EN] Synthetic simulated environments are gaining popularity in the Deep Learning Era, as they can alleviate the effort and cost of two critical tasks to build multi-camera systems for surveillance applications: setting up the camera system to cover the use cases and generating the labeled dataset to train the required Deep Neural Networks (DNNs). However, there are no simulated environments ready to solve them for all kind of scenarios and use cases. Typically, ‘ad hoc’ environments are built, which cannot be easily applied to other contexts. In this work we present a methodology to build synthetic simulated environments with sufficient generality to be usable in different contexts, with little effort. Our methodology tackles the challenges of the appropriate parameterization of scene configurations, the strategies to generate randomly a wide and balanced range of situations of interest for training DNNs with synthetic data, and the quick image capturing from virtual cameras considering the rendering bottlenecks. We show a practical implementation example for the detection of incorrectly placed luggage in aircraft cabins, including the qualitative and quantitative analysis of the data generation process and its influence in a DNN training, and the required modifications to adapt it to other surveillance contexts.This work has received funding from the Clean Sky 2 Joint Undertaking under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No. 865162, SmaCS (https://www.smacs.eu/

Designing Automated Deployment Strategies of Face Recognition Solutions in Heterogeneous IoT Platforms

In this paper, we tackle the problem of deploying face recognition (FR) solutions in heterogeneous Internet of Things (IoT) platforms. The main challenges are the optimal deployment of deep neural networks (DNNs) in the high variety of IoT devices (e.g., robots, tablets, smartphones, etc.), the secure management of biometric data while respecting the users’ privacy, and the design of appropriate user interaction with facial verification mechanisms for all kinds of users. We analyze different approaches to solving all these challenges and propose a knowledge-driven methodology for the automated deployment of DNN-based FR solutions in IoT devices, with the secure management of biometric data, and real-time feedback for improved interaction. We provide some practical examples and experimental results with state-of-the-art DNNs for FR in Intel’s and NVIDIA’s hardware platforms as IoT devices.This work was supported by the SHAPES project, which has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement no. 857159, and in part by the Spanish Centre for the Development of Industrial Technology (CDTI) through the Project ÉGIDA—RED DE EXCELENCIA EN TECNOLOGIAS DE SEGURIDAD Y PRIVACIDAD under Grant CER20191012