Two-stage procedure based on smoothed ensembles of neural networks applied to weed detection in orange groves

The potential impacts of herbicide utilization compel producers to use new methods of weed control. The problem of how to reduce the amount of herbicide and yet maintain crop production has stimulated many researchers to study selective herbicide application. The key of selective herbicide application is how to discriminate the weed areas efficiently. We introduce a procedure for weed detection in orange groves which consists of two different stages. In the first stage, the main features in an image of the grove are determined (Trees, Trunks, Soil and Sky). In the second, the weeds are detected only in those areas which were determined as Soil in the first stage. Due to the characteristics of weed detection (changing weather and light conditions), we introduce a new training procedure with noisy patterns for ensembles of neural networks. In the experiments, a comparison of the new noisy learning was successfully performed with a set of well-known classification problems from the machine learning repository published by the University of California, Irvine. This first comparison was performed to determine the general behavior and performance of the noisy ensembles. Then, the new noisy ensembles were applied to images from orange groves to determine where weeds are located using the proposed two-stage procedure. Main results of this contribution show that the proposed system is suitable for weed detection in orange, and similar, groves

The Roles of Language Models and Hierarchical Models in Neural Sequence-to-Sequence Prediction

With the advent of deep learning, research in many areas of machine learning is converging towards the same set of methods and models. For example, long short-term memory networks are not only popular for various tasks in natural language processing (NLP) such as speech recognition, machine translation, handwriting recognition, syntactic parsing, etc., but they are also applicable to seemingly unrelated fields such as robot control, time series prediction, and bioinformatics. Recent advances in contextual word embeddings like BERT boast with achieving state-of-the-art results on 11 NLP tasks with the same model. Before deep learning, a speech recognizer and a syntactic parser used to have little in common as systems were much more tailored towards the task at hand. At the core of this development is the tendency to view each task as yet another data mapping problem, neglecting the particular characteristics and (soft) requirements tasks often have in practice. This often goes along with a sharp break of deep learning methods with previous research in the specific area. This work can be understood as an antithesis to this paradigm. We show how traditional symbolic statistical machine translation models can still improve neural machine translation (NMT) while reducing the risk for common pathologies of NMT such as hallucinations and neologisms. Other external symbolic models such as spell checkers and morphology databases help neural grammatical error correction. We also focus on language models that often do not play a role in vanilla end-to-end approaches and apply them in different ways to word reordering, grammatical error correction, low-resource NMT, and document-level NMT. Finally, we demonstrate the benefit of hierarchical models in sequence-to-sequence prediction. Hand-engineered covering grammars are effective in preventing catastrophic errors in neural text normalization systems. Our operation sequence model for interpretable NMT represents translation as a series of actions that modify the translation state, and can also be seen as derivation in a formal grammar.EPSRC grant EP/L027623/1 EPSRC Tier-2 capital grant EP/P020259/

Weighted Ensemble Self-Supervised Learning

Ensembling has proven to be a powerful technique for boosting model performance, uncertainty estimation, and robustness in supervised learning. Advances in self-supervised learning (SSL) enable leveraging large unlabeled corpora for state-of-the-art few-shot and supervised learning performance. In this paper, we explore how ensemble methods can improve recent SSL techniques by developing a framework that permits data-dependent weighted cross-entropy losses. We refrain from ensembling the representation backbone; this choice yields an efficient ensemble method that incurs a small training cost and requires no architectural changes or computational overhead to downstream evaluation. The effectiveness of our method is demonstrated with two state-of-the-art SSL methods, DINO (Caron et al., 2021) and MSN (Assran et al., 2022). Our method outperforms both in multiple evaluation metrics on ImageNet-1K, particularly in the few-shot setting. We explore several weighting schemes and find that those which increase the diversity of ensemble heads lead to better downstream evaluation results. Thorough experiments yield improved prior art baselines which our method still surpasses; e.g., our overall improvement with MSN ViT-B/16 is 3.9 p.p. for 1-shot learning.Comment: Accepted by ICLR 202

DynED: Dynamic Ensemble Diversification in Data Stream Classification

Ensemble methods are commonly used in classification due to their remarkable performance. Achieving high accuracy in a data stream environment is a challenging task considering disruptive changes in the data distribution, also known as concept drift. A greater diversity of ensemble components is known to enhance prediction accuracy in such settings. Despite the diversity of components within an ensemble, not all contribute as expected to its overall performance. This necessitates a method for selecting components that exhibit high performance and diversity. We present a novel ensemble construction and maintenance approach based on MMR (Maximal Marginal Relevance) that dynamically combines the diversity and prediction accuracy of components during the process of structuring an ensemble. The experimental results on both four real and 11 synthetic datasets demonstrate that the proposed approach (DynED) provides a higher average mean accuracy compared to the five state-of-the-art baselines.Comment: Proceedings of the 32nd ACM International Conference on Information and Knowledge Management (CIKM '23), October 21--25, 2023, Birmingham, United Kingdo

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.Ésta tesis tiene dos aspectos fundamentales, por un lado, la propuesta denuevas arquitecturas de clasificadores y, por otro, su aplicación a el análisis deimagen.Desde el punto de vista de proponer nuevas arquitecturas de clasificaciónla tesis tiene dos contribucciones principales. En primer lugar la propuestade un innovador ensemble de clasificadores basado en arquitecturas aleatorias,como pueden ser las Extreme Learning Machines (ELM), Random Forest (RF) yRotation Forest, llamado Hybrid Extreme Rotation Forest (HERF) y su mejoraAnticipative HERF (AHERF) que conlleva una selección del modelo basada enel rendimiento de predicción para cada conjunto de datos específico. Ademásde lo anterior, proveemos una prueba formal tanto del AHERF, como de laconvergencia de los ensembles de regresores ELMs que mejoran la usabilidad yreproducibilidad de los resultados.En la vertiente de aplicación hemos estado trabajando con dos tipos de imágenes:imágenes hiperespectrales de remote sensing, e imágenes médicas tanto depatologías específicas de venas de sangre como de imágenes para el diagnósticode Alzheimer. En todos los casos los ensembles de clasificadores han sido la herramientacomún además de estrategias especificas de aprendizaje activo basadasen dichos ensembles de clasificadores. En el caso concreto de la segmentaciónde vasos sanguíneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografíacomputerizada y el otro la segmentación de venas sangineas en la retina. Losresultados en ambos casos en términos de rendimiento en clasificación y ahorrode tiempo en la segmentación humana nos permiten recomendar esos enfoquespara la práctica clínica.Chapter 1Background y contribuccionesDado el espacio limitado para realizar el resumen de la tesis hemos decididoincluir un resumen general con los puntos más importantes, una pequeña introducciónque pudiera servir como background para entender los conceptos básicosde cada uno de los temas que hemos tocado y un listado con las contribuccionesmás importantes.1.1 Ensembles de clasificadoresLa idea de los ensembles de clasificadores fue propuesta por Hansen y Salamon[4] en el contexto del aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Sutrabajo mostró que un ensemble de redes neuronales con un esquema de consensogrupal podía mejorar el resultado obtenido con una única red neuronal.Los ensembles de clasificadores buscan obtener unos resultados de clasificaciónmejores combinando clasificadores débiles y diversos [8, 9]. La propuesta inicialde ensemble contenía una colección homogena de clasificadores individuales. ElRandom Forest es un claro ejemplo de ello, puesto que combina la salida de unacolección de árboles de decisión realizando una votación por mayoría [2, 3], yse construye utilizando una técnica de remuestreo sobre el conjunto de datos ycon selección aleatoria de variables.2CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 31.2 Aprendizaje activoLa construcción de un clasificador supervisado consiste en el aprendizaje de unaasignación de funciones de datos en un conjunto de clases dado un conjunto deentrenamiento etiquetado. En muchas situaciones de la vida real la obtenciónde las etiquetas del conjunto de entrenamiento es costosa, lenta y propensa aerrores. Esto hace que la construcción del conjunto de entrenamiento sea unatarea engorrosa y requiera un análisis manual exaustivo de la imagen. Esto se realizanormalmente mediante una inspección visual de las imágenes y realizandoun etiquetado píxel a píxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los píxeles ruidosos pueden interferir en las estadísticas de cadaclase lo que puede dar lugar a errores de clasificación y/o overfitting. Por tantoes deseable que un conjunto de entrenamiento sea construido de una manera inteligente,lo que significa que debe representar correctamente los límites de clasemediante el muestreo de píxeles discriminantes. La generalización es la habilidadde etiquetar correctamente datos que no se han visto previamente y quepor tanto son nuevos para el modelo. El aprendizaje activo intenta aprovecharla interacción con un usuario para proporcionar las etiquetas de las muestrasdel conjunto de entrenamiento con el objetivo de obtener la clasificación másprecisa utilizando el conjunto de entrenamiento más pequeño posible.1.3 AlzheimerLa enfermedad de Alzheimer es una de las causas más importantes de discapacidaden personas mayores. Dado el envejecimiento poblacional que es una realidaden muchos países, con el aumento de la esperanza de vida y con el aumentodel número de personas mayores, el número de pacientes con demencia aumentarátambién. Debido a la importancia socioeconómica de la enfermedad enlos países occidentales existe un fuerte esfuerzo internacional focalizado en laenfermedad del Alzheimer. En las etapas tempranas de la enfermedad la atrofiacerebral suele ser sutil y está espacialmente distribuida por diferentes regionescerebrales que incluyen la corteza entorrinal, el hipocampo, las estructuras temporaleslateral e inferior, así como el cíngulo anterior y posterior. Son muchoslos esfuerzos de diseño de algoritmos computacionales tratando de encontrarbiomarcadores de imagen que puedan ser utilizados para el diagnóstico no invasivodel Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 41.4 Segmentación de vasos sanguíneosLa segmentación de los vasos sanguíneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clínica de las enfermedades vasculares.Consiste en particionar un angiograma en dos regiones que no se superponen:la región vasculares y el fondo. Basándonos en los resultados de dicha particiónse pueden extraer, modelar, manipular, medir y visualizar las superficies vasculares.Éstas estructuras son muy útiles y juegan un rol muy imporntate en lostratamientos endovasculares de las enfermedades vasculares. Las enfermedadesvasculares son una de las principales fuentes de morbilidad y mortalidad en todoel mundo.Aneurisma de Aorta Abdominal El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA)es una dilatación local de la Aorta que ocurre entre las arterias renal e ilíaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormínimo de la aorta alcanza los 3 centímetros [5]. La mayoría delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los síntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales características clínicas que sugiereno bien la reciente expansión o fugas. Las complicaciones son a menudo cuestiónde vida o muerte y pueden ocurrir en un corto espacio de tiempo. Por lo tanto,el reto consiste en diagnosticar lo antes posible la aparición de los síntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patología vascular y no vascular. Dicha inspecciónpuede revelar hipertensión, diabetes, arteriosclerosis, enfermedades cardiovascularese ictus. Los principales retos para la segmentación de vasos retinianos son:(1) la presencia de lesiones que se pueden interpretar de forma errónea comovasos sanguíneos; (2) bajo contraste alrededor de los vasos más delgados, (3)múltiples escalas de tamaño de los vasos.1.5 ContribucionesÉsta tesis tiene dos tipos de contribuciones. Contribuciones computacionales ycontribuciones orientadas a una aplicación o prácticas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 5Desde un punto de vista computacional las contribuciones han sido las siguientes:¿ Un nuevo esquema de aprendizaje activo usando Random Forest y el cálculode la incertidumbre que permite una segmentación de imágenes rápida,precisa e interactiva.¿ Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Adaptative Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales.¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.Desde un punto de vista práctico:¿ Imágenes médicas¿ Aprendizaje activo combinado con HERF para la segmentación deimágenes de tomografía computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografíacomputerizada con información de dominio.¿ Aprendizaje activo con el clasificador bootstrapped dendritic aplicadoa segmentación de imágenes médicas.¿ Meta-ensembles de clasificadores para detección de Alzheimer conimágenes de resonancia magnética.¿ Random Forest combinado con aprendizaje activo para segmentaciónde imágenes de retina.¿ Segmentación automática de grasa subcutanea y visceral utilizandoresonancia magnética.¿ Imágenes hiperespectrales¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales concorrección espacial usando AHERF.¿ Método semisupervisado de clasificación utilizando ensembles de ELMsy con regularización espacial

The Effectiveness of Using Diversity for Selecting Multiple Classifier Systems

A wealth of approaches exists to perform classification of items of interest. The goal of fusion techniques is to exploit complementary approaches and merge the information provided by these methods to provide a solution superior than any single method. Associated with choosing a fusion algorithm is the choice of algorithm or algorithms that will be fused. This decision is most often referred to as ensemble selection. Historically classifier ensemble accuracy has been used to accomplish this task. More recently research has focused on creating and evaluating diversity metrics to more effectively select ensemble members. This research focuses on the use of diversity as an ensemble selection methodology and explores the relationship between ensemble accuracy and diversity. Using a wide range of classification data sets, classification methodologies, and fusion techniques it extends current diversity research by expanding classifier domains before employing fusion methodologies; this is made possible with a unique classification score algorithm developed for this purpose. Correlation and linear regression techniques determine the relationship between examined diversity metrics and accuracy is tenuous and optimal ensemble selection should be based on ensemble accuracy