004 Datenverarbeitung; Informatik
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Discriminative Models for Biometric Identification using Micro- and Macro-Movements of the Eyes
(2021)
Human visual perception is an active process. Eye movements either alternate between fixations and saccades or follow a smooth pursuit movement in case of moving targets. Besides these macroscopic gaze patterns, the eyes perform involuntary micro-movements during fixations which are commonly categorized into micro-saccades, drift and tremor. Eye movements are frequently studied in cognitive psychology, because they reflect a complex interplay of perception, attention and oculomotor control.
A common insight of psychological research is that macro-movements are highly individual. Inspired by this finding, there has been a considerable amount of prior research on oculomotoric biometric identification. However, the accuracy of known approaches is too low and the time needed for identification is too long for any practical application. This thesis explores discriminative models for the task of biometric identification.
Discriminative models optimize a quality measure of the predictions and are usually superior to generative approaches in discriminative tasks. However, using discriminative models requires to select a suitable form of data representation for sequential eye gaze data; i.e., by engineering features or constructing a sequence kernel and the performance of the classification model strongly depends on the data representation. We study two fundamentally different ways of representing eye gaze within a discriminative framework. In the first part of this thesis, we explore the integration of data and psychological background knowledge in the form of generative models to construct representations. To this end, we first develop generative statistical models of gaze behavior during reading and scene viewing that account for viewer-specific distributional properties of gaze patterns. In a second step, we develop a discriminative identification model by deriving Fisher kernel functions from these and several baseline models. We find that an SVM with Fisher kernel is able to reliably identify users based on their eye gaze during reading and scene viewing. However, since the generative models are constrained to use low-frequency macro-movements, they discard a significant amount of information contained in the raw eye tracking signal at a high cost: identification requires about one minute of input recording, which makes it inapplicable for real world biometric systems. In the second part of this thesis, we study a purely data-driven modeling approach. Here, we aim at automatically discovering the individual pattern hidden in the raw eye tracking signal. To this end, we develop a deep convolutional neural network DeepEyedentification that processes yaw and pitch gaze velocities and learns a representation end-to-end. Compared to prior work, this model increases the identification accuracy by one order of magnitude and the time to identification decreases to only seconds. The DeepEyedentificationLive model further improves upon the identification performance by processing binocular input and it also detects presentation-attacks.
We find that by learning a representation, the performance of oculomotoric identification and presentation-attack detection can be driven close to practical relevance for biometric applications. Eye tracking devices with high sampling frequency and precision are expensive and the applicability of eye movement as a biometric feature heavily depends on cost of recording devices.
In the last part of this thesis, we therefore study the requirements on data quality by evaluating the performance of the DeepEyedentificationLive network under reduced spatial and temporal resolution. We find that the method still attains a high identification accuracy at a temporal resolution of only 250 Hz and a precision of 0.03 degrees. Reducing both does not have an additive deteriorating effect.
The usage of mobile devices is rapidly growing with Android being the most prevalent mobile operating system. Thanks to the vast variety of mobile applications, users are preferring smartphones over desktops for day to day tasks like Internet surfing. Consequently, smartphones store a plenitude of sensitive data. This data together with the high values of smartphones make them an attractive target for device/data theft (thieves/malicious applications).
Unfortunately, state-of-the-art anti-theft solutions do not work if they do not have an active network connection, e.g., if the SIM card was removed from the device. In the majority of these cases, device owners permanently lose their smartphone together with their personal data, which is even worse.
Apart from that malevolent applications perform malicious activities to steal sensitive information from smartphones. Recent research considered static program analysis to detect dangerous data leaks. These analyses work well for data leaks due to inter-component communication, but suffer from shortcomings for inter-app communication with respect to precision, soundness, and scalability.
This thesis focuses on enhancing users' privacy on Android against physical device loss/theft and (un)intentional data leaks. It presents three novel frameworks: (1) ThiefTrap, an anti-theft framework for Android, (2) IIFA, a modular inter-app intent information flow analysis of Android applications, and (3) PIAnalyzer, a precise approach for PendingIntent vulnerability analysis.
ThiefTrap is based on a novel concept of an anti-theft honeypot account that protects the owner's data while preventing a thief from resetting the device.
We implemented the proposed scheme and evaluated it through an empirical user study with 35 participants. In this study, the owner's data could be protected, recovered, and anti-theft functionality could be performed unnoticed from the thief in all cases.
IIFA proposes a novel approach for Android's inter-component/inter-app communication (ICC/IAC) analysis. Our main contribution is the first fully automatic, sound, and precise ICC/IAC information flow analysis that is scalable for realistic apps due to modularity, avoiding combinatorial explosion: Our approach determines communicating apps using short summaries rather than inlining intent calls between components and apps, which requires simultaneously analyzing all apps installed on a device.
We evaluate IIFA in terms of precision, recall, and demonstrate its scalability to a large corpus of real-world apps. IIFA reports 62 problematic ICC-/IAC-related information flows via two or more apps/components.
PIAnalyzer proposes a novel approach to analyze PendingIntent related vulnerabilities. PendingIntents are a powerful and universal feature of Android for inter-component communication. We empirically evaluate PIAnalyzer on a set of 1000 randomly selected applications and find 1358 insecure usages of PendingIntents, including 70 severe vulnerabilities.
In den letzten Jahren ist die Aufnahme und Verbreitung von Videos immer einfacher geworden. Daher sind die Relevanz und Beliebtheit zur Aufnahme von Vorlesungsvideos in den letzten Jahren stark angestiegen. Dies führt zu einem großen Datenbestand an Vorlesungsvideos in den Video-Vorlesungsarchiven der Universitäten. Durch diesen wachsenden Datenbestand wird es allerdings für die Studenten immer schwieriger, die relevanten Videos eines Vorlesungsarchivs aufzufinden. Zusätzlich haben viele Lerninteressierte durch ihre alltägliche Arbeit und familiären Verpflichtungen immer weniger Zeit sich mit dem Lernen zu beschäftigen. Ein weiterer Aspekt, der das Lernen im Internet erschwert, ist, dass es durch soziale Netzwerke und anderen Online-Plattformen vielfältige Ablenkungsmöglichkeiten gibt. Daher ist das Ziel dieser Arbeit, Möglichkeiten aufzuzeigen, welche das E-Learning bieten kann, um Nutzer beim Lernprozess zu unterstützen und zu motivieren.
Das Hauptkonzept zur Unterstützung der Studenten ist das präzise Auffinden von Informationen in den immer weiter wachsenden Vorlesungsvideoarchiven. Dazu werden die Vorlesungen im Voraus analysiert und die Texte der Vorlesungsfolien mit verschiedenen Methoden indexiert. Daraufhin können die Studenten mit der Suche oder dem Lecture-Butler Lerninhalte entsprechend Ihres aktuellen Wissensstandes auffinden. Die möglichen verwendeten Technologien für das Auffinden wurden, sowohl technisch, als auch durch Studentenumfragen erfolgreich evaluiert. Zur Motivation von Studenten in Vorlesungsarchiven werden diverse Konzepte betrachtet und die Umsetzung evaluiert, die den Studenten interaktiv in den Lernprozess einbeziehen.
Neben Vorlesungsarchiven existieren sowohl im privaten als auch im dienstlichen Weiterbildungsbereich die in den letzten Jahren immer beliebter werdenden MOOCs. Generell sind die Abschlussquoten von MOOCs allerdings mit durchschnittlich 7% eher gering. Daher werden Motivationslösungen für MOOCs im Bereich von eingebetteten Systemen betrachtet, die in praktischen Programmierkursen Anwendung finden. Zusätzlich wurden Kurse evaluiert, welche die Programmierung von eingebetteten Systemen behandeln. Die Verfügbarkeit war bei Kursen von bis zu 10.000 eingeschriebenen Teilnehmern hierbei kein schwerwiegendes Problem. Die Verwendung von eingebetteten Systemen in Programmierkursen sind bei den Studenten in der praktischen Umsetzung auf sehr großes Interesse gestoßen.
In recent years, the ever-growing amount of documents on the Web as well as in closed systems for private or business contexts led to a considerable increase of valuable textual information about topics, events, and entities. It is a truism that the majority of information (i.e., business-relevant data) is only available in unstructured textual form. The text mining research field comprises various practice areas that have the common goal of harvesting high-quality information from textual data. These information help addressing users' information needs.
In this thesis, we utilize the knowledge represented in user-generated content (UGC) originating from various social media services to improve text mining results. These social media platforms provide a plethora of information with varying focuses. In many cases, an essential feature of such platforms is to share relevant content with a peer group. Thus, the data exchanged in these communities tend to be focused on the interests of the user base. The popularity of social media services is growing continuously and the inherent knowledge is available to be utilized. We show that this knowledge can be used for three different tasks.
Initially, we demonstrate that when searching persons with ambiguous names, the information from Wikipedia can be bootstrapped to group web search results according to the individuals occurring in the documents. We introduce two models and different means to handle persons missing in the UGC source. We show that the proposed approaches outperform traditional algorithms for search result clustering. Secondly, we discuss how the categorization of texts according to continuously changing community-generated folksonomies helps users to identify new information related to their interests. We specifically target temporal changes in the UGC and show how they influence the quality of different tag recommendation approaches. Finally, we introduce an algorithm to attempt the entity linking problem, a necessity for harvesting entity knowledge from large text collections. The goal is the linkage of mentions within the documents with their real-world entities. A major focus lies on the efficient derivation of coherent links.
For each of the contributions, we provide a wide range of experiments on various text corpora as well as different sources of UGC.
The evaluation shows the added value that the usage of these sources provides and confirms the appropriateness of leveraging user-generated content to serve different information needs.
Die Projektierung und Abwicklung sowie die statische und dynamische Analyse von Geschäftsprozessen im Bereich des Verwaltens und Regierens auf kommunaler, Länder- wie auch Bundesebene mit Hilfe von Informations- und Kommunikationstechniken beschäftigen Politiker und Strategen für Informationstechnologie ebenso wie die Öffentlichkeit seit Langem. Der hieraus entstandene Begriff E-Government wurde in der Folge aus den unterschiedlichsten technischen, politischen und semantischen Blickrichtungen beleuchtet.
Die vorliegende Arbeit konzentriert sich dabei auf zwei Schwerpunktthemen:
> Das erste Schwerpunktthema behandelt den Entwurf eines hierarchischen Architekturmodells, für welches sieben hierarchische Schichten identifiziert werden können. Diese erscheinen notwendig, aber auch hinreichend, um den allgemeinen Fall zu beschreiben. Den Hintergrund hierfür liefert die langjährige Prozess- und Verwaltungserfahrung als Leiter der EDV-Abteilung der Stadtverwaltung Landshut, eine kreisfreie Stadt mit rund 69.000 Einwohnern im Nordosten von München. Sie steht als Repräsentant für viele Verwaltungsvorgänge in der Bundesrepublik Deutschland und ist dennoch als Analyseobjekt in der Gesamtkomplexität und Prozessquantität überschaubar. Somit können aus der Analyse sämtlicher Kernabläufe statische und dynamische Strukturen extrahiert und abstrakt modelliert werden. Die Schwerpunkte liegen in der Darstellung der vorhandenen Bedienabläufe in einer Kommune. Die Transformation der Bedienanforderung in einem hierarchischen System, die Darstellung der Kontroll- und der Operationszustände in allen Schichten wie auch die Strategie der Fehlererkennung und Fehlerbehebung schaffen eine transparente Basis für umfassende Restrukturierungen und Optimierungen. Für die Modellierung wurde FMC-eCS eingesetzt, eine am Hasso-Plattner-Institut für Softwaresystemtechnik GmbH (HPI) im Fachgebiet Kommunikationssysteme entwickelte Methodik zur Modellierung zustandsdiskreter Systeme unter Berücksichtigung möglicher Inkonsistenzen
>Das zweite Schwerpunktthema widmet sich der quantitativen Modellierung und Optimierung von E-Government-Bediensystemen, welche am Beispiel des Bürgerbüros der Stadt Landshut im Zeitraum 2008 bis 2015 durchgeführt wurden. Dies erfolgt auf Basis einer kontinuierlichen Betriebsdatenerfassung mit aufwendiger Vorverarbeitung zur Extrahierung mathematisch beschreibbarer Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Der hieraus entwickelte Dienstplan wurde hinsichtlich der erzielbaren Optimierungen im dauerhaften Echteinsatz verifiziert.