Advances in Artificial Intelligence: Models, Optimization, and Machine Learning

The present book contains all the articles accepted and published in the Special Issue “Advances in Artificial Intelligence: Models, Optimization, and Machine Learning” of the MDPI Mathematics journal, which covers a wide range of topics connected to the theory and applications of artificial intelligence and its subfields. These topics include, among others, deep learning and classic machine learning algorithms, neural modelling, architectures and learning algorithms, biologically inspired optimization algorithms, algorithms for autonomous driving, probabilistic models and Bayesian reasoning, intelligent agents and multiagent systems. We hope that the scientific results presented in this book will serve as valuable sources of documentation and inspiration for anyone willing to pursue research in artificial intelligence, machine learning and their widespread applications

Pattern Recognition

A wealth of advanced pattern recognition algorithms are emerging from the interdiscipline between technologies of effective visual features and the human-brain cognition process. Effective visual features are made possible through the rapid developments in appropriate sensor equipments, novel filter designs, and viable information processing architectures. While the understanding of human-brain cognition process broadens the way in which the computer can perform pattern recognition tasks. The present book is intended to collect representative researches around the globe focusing on low-level vision, filter design, features and image descriptors, data mining and analysis, and biologically inspired algorithms. The 27 chapters coved in this book disclose recent advances and new ideas in promoting the techniques, technology and applications of pattern recognition

Adaptive classifier ensembles for face recognition in video-surveillance

Lors de l’implémentation de systèmes de sécurité tels que la vidéo-surveillance intelligente, l’utilisation d’images de visages présente de nombreux avantages par rapport à d’autres traits biométriques. En particulier, cela permet de détecter d’éventuels individus d’intérêt de manière discrète et non intrusive, ce qui peut être particulièrement avantageux dans des situations comme la détection d’individus sur liste noire, la recherche dans des données archivées ou la ré-identification de visages. Malgré cela, la reconnaissance de visages reste confrontée à de nombreuses difficultés propres à la vidéo surveillance. Entre autres, le manque de contrôle sur l’environnement observé implique de nombreuses variations dans les conditions d’éclairage, la résolution de l’image, le flou de mouvement, l’orientation et l’expression des visages. Pour reconnaître des individus, des modèles de visages sont habituellement générés à l’aide d’un nombre limité d’images ou de vidéos de référence collectées lors de sessions d’inscription. Cependant, ces acquisitions ne se déroulant pas nécessairement dans les mêmes conditions d’observation, les données de référence représentent pas toujours la complexité du problème réel. D’autre part, bien qu’il soit possible d’adapter les modèles de visage lorsque de nouvelles données de référence deviennent disponibles, un apprentissage incrémental basé sur des données significativement différentes expose le système à un risque de corruption de connaissances. Enfin, seule une partie de ces connaissances est effectivement pertinente pour la classification d’une image donnée. Dans cette thèse, un nouveau système est proposé pour la détection automatique d’individus d’intérêt en vidéo-surveillance. Plus particulièrement, celle-ci se concentre sur un scénario centré sur l’utilisateur, où un système de reconnaissance de visages est intégré à un outil d’aide à la décision pour alerter un opérateur lorsqu’un individu d’intérêt est détecté sur des flux vidéo. Un tel système se doit d’être capable d’ajouter ou supprimer des individus d’intérêt durant son fonctionnement, ainsi que de mettre à jour leurs modèles de visage dans le temps avec des nouvelles données de référence. Pour cela, le système proposé se base sur de la détection de changement de concepts pour guider une stratégie d’apprentissage impliquant des ensembles de classificateurs. Chaque individu inscrit dans le système est représenté par un ensemble de classificateurs à deux classes, chacun étant spécialisé dans des conditions d’observation différentes, détectées dans les données de référence. De plus, une nouvelle règle pour la fusion dynamique d’ensembles de classificateurs est proposée, utilisant des modèles de concepts pour estimer la pertinence des classificateurs vis-à-vis de chaque image à classifier. Enfin, les visages sont suivis d’une image à l’autre dans le but de les regrouper en trajectoires, et accumuler les décisions dans le temps. Au Chapitre 2, la détection de changement de concept est dans un premier temps utilisée pour limiter l’augmentation de complexité d’un système d’appariement de modèles adoptant une stratégie de mise à jour automatique de ses galeries. Une nouvelle approche sensible au contexte est proposée, dans laquelle seules les images de haute confiance capturées dans des conditions d’observation différentes sont utilisées pour mettre à jour les modèles de visage. Des expérimentations ont été conduites avec trois bases de données de visages publiques. Un système d’appariement de modèles standard a été utilisé, combiné avec un module de détection de changement dans les conditions d’illumination. Les résultats montrent que l’approche proposée permet de diminuer la complexité de ces systèmes, tout en maintenant la performance dans le temps. Au Chapitre 3, un nouveau système adaptatif basé des ensembles de classificateurs est proposé pour la reconnaissance de visages en vidéo-surveillance. Il est composé d’un ensemble de classificateurs incrémentaux pour chaque individu inscrit, et se base sur la détection de changement de concepts pour affiner les modèles de visage lorsque de nouvelles données sont disponibles. Une stratégie hybride est proposée, dans laquelle des classificateurs ne sont ajoutés aux ensembles que lorsqu’un changement abrupt est détecté dans les données de référence. Lors d’un changement graduel, les classificateurs associés sont mis à jour, ce qui permet d’affiner les connaissances propres au concept correspondant. Une implémentation particulière de ce système est proposée, utilisant des ensembles de classificateurs de type Fuzzy-ARTMAP probabilistes, générés et mis à jour à l’aide d’une stratégie basée sur une optimisation par essaims de particules dynamiques, et utilisant la distance de Hellinger entre histogrammes pour détecter des changements. Les simulations réalisées sur la base de donnée de vidéo-surveillance Faces in Action (FIA) montrent que le système proposé permet de maintenir un haut niveau de performance dans le temps, tout en limitant la corruption de connaissance. Il montre des performances de classification supérieure à un système similaire passif (sans détection de changement), ainsi qu’a des systèmes de référence de type kNN probabiliste, et TCM-kNN. Au Chapitre 4, une évolution du système présenté au Chapitre 3 est proposée, intégrant des mécanismes permettant d’adapter dynamiquement le comportement du système aux conditions d’observation changeantes en mode opérationnel. Une nouvelle règle de fusion basée sur de la pondération dynamique est proposée, assignant à chaque classificateur un poids proportionnel à son niveau de compétence estimé vis-à-vis de chaque image à classifier. De plus, ces compétences sont estimées à l’aide des modèles de concepts utilisés en apprentissage pour la détection de changement, ce qui permet un allègement des ressources nécessaires en mode opérationnel. Une évolution de l’implémentation proposée au Chapitre 3 est présentée, dans laquelle les concepts sont modélisés à l’aide de l’algorithme de partitionnement Fuzzy C-Means, et la fusion de classificateurs réalisée avec une moyenne pondérée. Les simulation expérimentales avec les bases de données de vidéo-surveillance FIA et Chokepoint montrent que la méthode de fusion proposée permet d’obtenir des résultats supérieurs à la méthode de sélection dynamique DSOLA, tout en utilisant considérablement moins de ressources de calcul. De plus, la méthode proposée montre des performances de classification supérieures aux systèmes de référence de type kNN probabiliste, TCM-kNN et Adaptive Sparse Coding

Multivariate feature selection of image descriptors data for breast cancer with computer-assisted diagnosis

Breast cancer is an important global health problem, and the most common type of cancer among women. Late diagnosis significantly decreases the survival rate of the patient; however, using mammography for early detection has been demonstrated to be a very important tool increasing the survival rate. The purpose of this paper is to obtain a multivariate model to classify benign and malignant tumor lesions using a computer-assisted diagnosis with a genetic algorithm in training and test datasets from mammography image features. A multivariate search was conducted to obtain predictive models with different approaches, in order to compare and validate results. The multivariate models were constructed using: Random Forest, Nearest centroid, and K-Nearest Neighbor (K-NN) strategies as cost function in a genetic algorithm applied to the features in the BCDR public databases. Results suggest that the two texture descriptor features obtained in the multivariate model have a similar or better prediction capability to classify the data outcome compared with the multivariate model composed of all the features, according to their fitness value. This model can help to reduce the workload of radiologists and present a second opinion in the classification of tumor lesions

Multivariate feature selection of image descriptors data for breast cancer with computer-assisted diagnosis

Breast cancer is an important global health problem, and the most common type of cancer among women. Late diagnosis significantly decreases the survival rate of the patient; however, using mammography for early detection has been demonstrated to be a very important tool increasing the survival rate. The purpose of this paper is to obtain a multivariate model to classify benign and malignant tumor lesions using a computer-assisted diagnosis with a genetic algorithm in training and test datasets from mammography image features. A multivariate search was conducted to obtain predictive models with different approaches, in order to compare and validate results. The multivariate models were constructed using: Random Forest, Nearest centroid, and K-Nearest Neighbor (K-NN) strategies as cost function in a genetic algorithm applied to the features in the BCDR public databases. Results suggest that the two texture descriptor features obtained in the multivariate model have a similar or better prediction capability to classify the data outcome compared with the multivariate model composed of all the features, according to their fitness value. This model can help to reduce the workload of radiologists and present a second opinion in the classification of tumor lesions

Novel techniques of computational intelligence for analysis of astronomical structures

Gravitational forces cause the formation and evolution of a variety of cosmological structures. The detailed investigation and study of these structures is a crucial step towards our understanding of the universe. This thesis provides several solutions for the detection and classification of such structures. In the first part of the thesis, we focus on astronomical simulations, and we propose two algorithms to extract stellar structures. Although they follow different strategies (while the first one is a downsampling method, the second one keeps all samples), both techniques help to build more effective probabilistic models. In the second part, we consider observational data, and the goal is to overcome some of the common challenges in observational data such as noisy features and imbalanced classes. For instance, when not enough examples are present in the training set, two different strategies are used: a) nearest neighbor technique and b) outlier detection technique. In summary, both parts of the thesis show the effectiveness of automated algorithms in extracting valuable information from astronomical databases

Towards Comprehensive Foundations of Computational Intelligence

Abstract. Although computational intelligence (CI) covers a vast variety of different methods it still lacks an integrative theory. Several proposals for CI foundations are discussed: computing and cognition as compression, meta-learning as search in the space of data models, (dis)similarity based methods providing a framework for such meta-learning, and a more general approach based on chains of transformations. Many useful transformations that extract information from features are discussed. Heterogeneous adaptive systems are presented as particular example of transformation-based systems, and the goal of learning is redefined to facilitate creation of simpler data models. The need to understand data structures leads to techniques for logical and prototype-based rule extraction, and to generation of multiple alternative models, while the need to increase predictive power of adaptive models leads to committees of competent models. Learning from partial observations is a natural extension towards reasoning based on perceptions, and an approach to intuitive solving of such problems is presented. Throughout the paper neurocognitive inspirations are frequently used and are especially important in modeling of the higher cognitive functions. Promising directions such as liquid and laminar computing are identified and many open problems presented.

A Review of Classification Problems and Algorithms in Renewable Energy Applications

Classification problems and their corresponding solving approaches constitute one of the fields of machine learning. The application of classification schemes in Renewable Energy (RE) has gained significant attention in the last few years, contributing to the deployment, management and optimization of RE systems. The main objective of this paper is to review the most important classification algorithms applied to RE problems, including both classical and novel algorithms. The paper also provides a comprehensive literature review and discussion on different classification techniques in specific RE problems, including wind speed/power prediction, fault diagnosis in RE systems, power quality disturbance classification and other applications in alternative RE systems. In this way, the paper describes classification techniques and metrics applied to RE problems, thus being useful both for researchers dealing with this kind of problem and for practitioners of the field