Representation learning on complex data

Machine learning has enabled remarkable progress in various fields of research and application in recent years. The primary objective of machine learning consists of developing algorithms that can learn and improve through observation and experience. Machine learning algorithms learn from data, which may exhibit various forms of complexity, which pose fundamental challenges. In this thesis, we address two major types of data complexity: First, data is often inherently connected and can be modeled by a single or multiple graphs. Machine learning methods could potentially exploit these connections, for instance, to find groups of similar users in a social network for targeted marketing or to predict functional properties of proteins for drug design. Secondly, data is often high-dimensional, for instance, due to a large number of recorded features or induced by a quadratic pixel grid on images. Classical machine learning methods perennially fail when exposed to high-dimensional data as several key assumptions cease to be satisfied. Therefore, a major challenge associated with machine learning on graphs and high-dimensional data is to derive meaningful representations of this data, which allow models to learn effectively. In contrast to conventional manual feature engineering methods, representation learning aims at automatically learning data representations that are particularly suitable for a specific task at hand. Driven by a rapidly increasing availability of data, these methods have celebrated tremendous success for tasks such as object detection in images and speech recognition. However, there is still a considerable amount of research work to be done to fully leverage such techniques for learning on graphs and high-dimensional data. In this thesis, we address the problem of learning meaningful representations for highly-effective machine learning on complex data, in particular, graph data and high-dimensional data. Additionally, most of our proposed methods are highly scalable, allowing them to learn from massive amounts of data. While we address a wide range of general learning problems with different modes of supervision, ranging from unsupervised problems on unlabeled data to (semi-)-supervised learning on annotated data sets, we evaluate our models on specific tasks from fields such as social network analysis, information security, and computer vision. The first part of this thesis addresses representation learning on graphs. While existing graph neural network models commonly perform synchronous message passing between nodes and thus struggle with long-range dependencies and efficiency issues, our first proposed method performs fast asynchronous message passing and, therefore, supports adaptive and efficient learning and additionally scales to large graphs. Another contribution consists of a novel graph-based approach to malware detection and classification based on network traffic. While existing methods classify individual network flows between two endpoints, our algorithm collects all traffic in a monitored network within a specific time frame and builds a communication graph, which is then classified using a novel graph neural network model. The developed model can be generally applied to further graph classification or anomaly detection tasks. Two further contributions challenge a common assumption made by graph learning methods, termed homophily, which states that nodes with similar properties are usually closely connected in the graph. To this end, we develop a method that predicts node-level properties leveraging the distribution of class labels appearing in the neighborhood of the respective node. That allows our model to learn general relations between a node and its neighbors, which are not limited to homophily. Another proposed method specifically models structural similarity between nodes to model different roles, for instance, influencers and followers in a social network. In particular, we develop an unsupervised algorithm for deriving node descriptors based on how nodes spread probability mass to their neighbors and aggregate these descriptors to represent entire graphs. The second part of this thesis addresses representation learning on high-dimensional data. Specifically, we consider the problem of clustering high-dimensional data, such as images, texts, or gene expression profiles. Classical clustering algorithms struggle with this type of data since it can usually not be assumed that data objects will be similar w.r.t. all attributes, but only within a particular subspace of the full-dimensional ambient space. Subspace clustering is an approach to clustering high-dimensional data based on this assumption. While there already exist powerful neural network-based subspace clustering methods, these methods commonly suffer from scalability issues and lack a theoretical foundation. To this end, we propose a novel metric learning approach to subspace clustering, which can provably recover linear subspaces under suitable assumptions and, at the same time, tremendously reduces the required numbear of model parameters and memory compared to existing algorithms.Maschinelles Lernen hat in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte in verschiedenen Forschungs- und Anwendungsbereichen ermöglicht. Das primäre Ziel des maschinellen Lernens besteht darin, Algorithmen zu entwickeln, die durch Beobachtung und Erfahrung lernen und sich verbessern können. Algorithmen des maschinellen Lernens lernen aus Daten, die verschiedene Formen von Komplexität aufweisen können, was grundlegende Herausforderungen mit sich bringt. Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei Haupttypen von Datenkomplexität behandelt: Erstens weisen Daten oft inhärente Verbindungen, die durch einen einzelnen oder mehrere Graphen modelliert werden können. Methoden des maschinellen Lernens können diese Verbindungen potenziell ausnutzen, um beispielsweise Gruppen ähnlicher Nutzer in einem sozialen Netzwerk für gezieltes Marketing zu finden oder um funktionale Eigenschaften von Proteinen für das Design von Medikamenten vorherzusagen. Zweitens sind die Daten oft hochdimensional, z. B. aufgrund einer großen Anzahl von erfassten Merkmalen oder bedingt durch ein quadratisches Pixelraster auf Bildern. Klassische Methoden des maschinellen Lernens versagen immer wieder, wenn sie hochdimensionalen Daten ausgesetzt werden, da mehrere Schlüsselannahmen nicht mehr erfüllt sind. Daher besteht eine große Herausforderung beim maschinellen Lernen auf Graphen und hochdimensionalen Daten darin, sinnvolle Repräsentationen dieser Daten abzuleiten, die es den Modellen ermöglichen, effektiv zu lernen. Im Gegensatz zu konventionellen manuellen Feature-Engineering-Methoden zielt Representation Learning darauf ab, automatisch Datenrepräsentationen zu lernen, die für eine bestimmte Aufgabenstellung besonders geeignet sind. Angetrieben durch eine rasant steigende Datenverfügbarkeit haben diese Methoden bei Aufgaben wie der Objekterkennung in Bildern und der Spracherkennung enorme Erfolge gefeiert. Es besteht jedoch noch ein erheblicher Forschungsbedarf, um solche Verfahren für das Lernen auf Graphen und hochdimensionalen Daten voll auszuschöpfen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Problem des Lernens sinnvoller Repräsentationen für hocheffektives maschinelles Lernen auf komplexen Daten, insbesondere auf Graphen und hochdimensionalen Daten. Zusätzlich sind die meisten hier vorgeschlagenen Methoden hoch skalierbar, so dass sie aus großen Datenmengen lernen können. Obgleich eine breite Palette von allgemeinen Lernproblemen mit verschiedenen Arten der Überwachung adressiert wird, die von unüberwachten Problemen auf unannotierten Daten bis hin zum (semi-)überwachten Lernen auf annotierten Datensätzen reichen, werden die vorgestellten Metoden anhand spezifischen Anwendungen aus Bereichen wie der Analyse sozialer Netzwerke, der Informationssicherheit und der Computer Vision evaluiert. Der erste Teil der Dissertation befasst sich mit dem Representation Learning auf Graphen. Während existierende neuronale Netze für Graphen üblicherweise eine synchrone Nachrichtenübermittlung zwischen den Knoten durchführen und somit mit langreichweitigen Abhängigkeiten und Effizienzproblemen zu kämpfen haben, führt die erste hier vorgeschlagene Methode eine schnelle asynchrone Nachrichtenübermittlung durch und unterstützt somit adaptives und effizientes Lernen und skaliert zudem auf große Graphen. Ein weiterer Beitrag besteht in einem neuartigen graphenbasierten Ansatz zur Malware-Erkennung und -Klassifizierung auf Basis des Netzwerkverkehrs. Während bestehende Methoden einzelne Netzwerkflüsse zwischen zwei Endpunkten klassifizieren, sammelt der vorgeschlagene Algorithmus den gesamten Verkehr in einem überwachten Netzwerk innerhalb eines bestimmten Zeitraums und baut einen Kommunikationsgraphen auf, der dann mithilfe eines neuartigen neuronalen Netzes für Graphen klassifiziert wird. Das entwickelte Modell kann allgemein für weitere Graphenklassifizierungs- oder Anomalieerkennungsaufgaben eingesetzt werden. Zwei weitere Beiträge stellen eine gängige Annahme von Graphen-Lernmethoden in Frage, die so genannte Homophilie-Annahme, die besagt, dass Knoten mit ähnlichen Eigenschaften in der Regel eng im Graphen verbunden sind. Zu diesem Zweck wird eine Methode entwickelt, die Eigenschaften auf Knotenebene vorhersagt, indem sie die Verteilung der annotierten Klassen in der Nachbarschaft des jeweiligen Knotens nutzt. Das erlaubt dem vorgeschlagenen Modell, allgemeine Beziehungen zwischen einem Knoten und seinen Nachbarn zu lernen, die nicht auf Homophilie beschränkt sind. Eine weitere vorgeschlagene Methode modelliert strukturelle Ähnlichkeit zwischen Knoten, um unterschiedliche Rollen zu modellieren, zum Beispiel Influencer und Follower in einem sozialen Netzwerk. Insbesondere entwickeln wir einen unüberwachten Algorithmus zur Ableitung von Knoten-Deskriptoren, die darauf basieren, wie Knoten Wahrscheinlichkeitsmasse auf ihre Nachbarn verteilen, und aggregieren diese Deskriptoren, um ganze Graphen darzustellen. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit dem Representation Learning auf hochdimensionalen Daten. Konkret wird das Problem des Clusterns hochdimensionaler Daten, wie z. B. Bilder, Texte oder Genexpressionsprofile, betrachtet. Klassische Clustering-Algorithmen haben mit dieser Art von Daten zu kämpfen, da in der Regel nicht davon ausgegangen werden kann, dass die Datenobjekte in Bezug auf alle Attribute ähnlich sind, sondern nur innerhalb eines bestimmten Unterraums des volldimensionalen Datenraums. Das Unterraum-Clustering ist ein Ansatz zum Clustern hochdimensionaler Daten, der auf dieser Annahme basiert. Obwohl es bereits leistungsfähige, auf neuronalen Netzen basierende Unterraum-Clustering-Methoden gibt, leiden diese Methoden im Allgemeinen unter Skalierbarkeitsproblemen und es fehlt ihnen an einer theoretischen Grundlage. Zu diesem Zweck wird ein neuartiger Metric Learning Ansatz für das Unterraum-Clustering vorgeschlagen, der unter geeigneten Annahmen nachweislich lineare Unterräume detektieren kann und gleichzeitig die erforderliche Anzahl von Modellparametern und Speicher im Vergleich zu bestehenden Algorithmen enorm reduziert

Extending Structural Learning Paradigms for High-Dimensional Machine Learning and Analysis

Structure-based machine-learning techniques are frequently used in extensions of supervised learning, such as active, semi-supervised, multi-modal, and multi-task learning. A common step in many successful methods is a structure-discovery process that is made possible through the addition of new information, which can be user feedback, unlabeled data, data from similar tasks, alternate views of the problem, etc. Learning paradigms developed in the above-mentioned fields have led to some extremely flexible, scalable, and successful multivariate analysis approaches. This success and flexibility offer opportunities to expand the use of machine learning paradigms to more complex analyses. In particular, while information is often readily available concerning complex problems, the relationships among the information rarely follow the simple labeled-example-based setup that supervised learning is based upon. Even when it is possible to incorporate additional data in such forms, the result is often an explosion in the dimensionality of the input space, such that both sample complexity and computational complexity can limit real-world success. In this work, we review many of the latest structural learning approaches for dealing with sample complexity. We expand their use to generate new paradigms for combining some of these learning strategies to address more complex problem spaces. We overview extreme-scale data analysis problems where sample complexity is a much more limiting factor than computational complexity, and outline new structural-learning approaches for dealing jointly with both. We develop and demonstrate a method for dealing with sample complexity in complex systems that leads to a more scalable algorithm than other approaches to large-scale multi-variate analysis. This new approach reflects the underlying problem structure more accurately by using interdependence to address sample complexity, rather than ignoring it for the sake of tractability

Data mining using concepts of independence, unimodality and homophily

With the widespread use of information technologies, more and more complex data is generated and collected every day. Such complex data is various in structure, size, type and format, e.g. time series, texts, images, videos and graphs. Complex data is often high-dimensional and heterogeneous, which makes the separation of the wheat (knowledge) from the chaff (noise) more difficult. Clustering is a main mode of knowledge discovery from complex data, which groups objects in such a way that intra-group objects are more similar than inter-group objects. Traditional clustering methods such as k-means, Expectation-Maximization clustering (EM), DBSCAN and spectral clustering are either deceived by "the curse of dimensionality" or spoiled by heterogenous information. So, how to effectively explore complex data? In some cases, people may only have some partial information about the complex data. For example, in social networks, not every user provides his/her profile information such as the personal interests. Can we leverage the limited user information and friendship network wisely to infer the likely labels of the unlabeled users so that the advertisers can do accurate advertising? This is the problem of learning from labeled and unlabeled data, which is literarily attributed to semi-supervised classification. To gain insights into these problems, this thesis focuses on developing clustering and semi-supervised classification methods that are driven by the concepts of independence, unimodality and homophily. The proposed methods leverage techniques from diverse areas, such as statistics, information theory, graph theory, signal processing, optimization and machine learning. Specifically, this thesis develops four methods, i.e. FUSE, ISAAC, UNCut, and wvGN. FUSE and ISAAC are clustering techniques to discover statistically independent patterns from high-dimensional numerical data. UNCut is a clustering technique to discover unimodal clusters in attributed graphs in which not all the attributes are relevant to the graph structure. wvGN is a semi-supervised classification technique using the theory of homophily to infer the labels of the unlabeled vertices in graphs. We have verified our clustering and semi-supervised classification methods on various synthetic and real-world data sets. The results are superior to those of the state-of-the-art.Täglich werden durch den weit verbreiteten Einsatz von Informationstechnologien mehr und mehr komplexe Daten generiert und gesammelt. Diese komplexen Daten unterscheiden sich in der Struktur, Größe, Art und Format. Häufig anzutreffen sind beispielsweise Zeitreihen, Texte, Bilder, Videos und Graphen. Dabei sind diese Daten meist hochdimensional und heterogen, was die Trennung des Weizens ( Wissen ) von der Spreu ( Rauschen ) erschwert. Die Cluster Analyse ist dabei eine der wichtigsten Methoden um aus komplexen Daten wssen zu extrahieren. Dabei werden die Objekte eines Datensatzes in einer solchen Weise gruppiert, dass intra-gruppierte Objekte ähnlicher sind als Objekte anderer Gruppen. Der Einsatz von traditionellen Clustering-Methoden wie k-Means, Expectation-Maximization (EM), DBSCAN und Spektralclustering wird dabei entweder "durch der Fluch der Dimensionalität" erschwert oder ist angesichts der heterogenen Information nicht möglich. Wie erforscht man also solch komplexe Daten effektiv? Darüber hinaus ist es oft der Fall, dass für Objekte solcher Datensätze nur partiell Informationen vorliegen. So gibt in sozialen Netzwerken nicht jeder Benutzer seine Profil-Informationen wie die persönlichen Interessen frei. Können wir diese eingeschränkten Benutzerinformation trotzdem in Kombination mit dem Freundschaftsnetzwerk nutzen, um von von wenigen, einer Klasse zugeordneten Nutzern auf die anderen zu schließen. Beispielsweise um zielgerichtete Werbung zu schalten? Dieses Problem des Lernens aus klassifizierten und nicht klassifizierten Daten wird dem semi-supversised Learning zugeordnet. Um Einblicke in diese Probleme zu gewinnen, konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung von Clustering- und semi-überwachten Klassifikationsmethoden, die von den Konzepten der Unabhängigkeit, Unimodalität und Homophilie angetrieben werden. Die vorgeschlagenen Methoden nutzen Techniken aus verschiedenen Bereichen der Statistik, Informationstheorie, Graphentheorie, Signalverarbeitung, Optimierung und des maschinelles Lernen. Dabei stellt diese Arbeit vier Techniken vor: FUSE, ISAAC, UNCut, sowie wvGN. FUSE und ISAAC sind Clustering-Techniken, um statistisch unabhängige Muster aus hochdimensionalen numerischen Daten zu entdecken. UNCut ist eine Clustering-Technik, um unimodale Cluster in attributierten Graphen zu entdecken, in denen die Kanten und Attribute heterogene Informationen liefern. wvGN ist eine halbüberwachte Klassifikationstechnik, die Homophilie verwendet, um von gelabelten Kanten auf ungelabelte Kanten im Graphen zu schließen. Wir haben diese Clustering und semi-überwachten Klassifizierungsmethoden auf verschiedenen synthetischen und realen Datensätze überprüft. Die Ergebnisse sind denen von bisherigen State-of-the-Art-Methoden überlegen

Deep Causal Learning for Robotic Intelligence

This invited review discusses causal learning in the context of robotic intelligence. The paper introduced the psychological findings on causal learning in human cognition, then it introduced the traditional statistical solutions on causal discovery and causal inference. The paper reviewed recent deep causal learning algorithms with a focus on their architectures and the benefits of using deep nets and discussed the gap between deep causal learning and the needs of robotic intelligence

Semi-supervised and unsupervised kernel-based novelty detection with application to remote sensing images

The main challenge of new information technologies is to retrieve intelligible information from the large volume of digital data gathered every day. Among the variety of existing data sources, the satellites continuously observing the surface of the Earth are key to the monitoring of our environment. The new generation of satellite sensors are tremendously increasing the possibilities of applications but also increasing the need for efficient processing methodologies in order to extract information relevant to the users' needs in an automatic or semi-automatic way. This is where machine learning comes into play to transform complex data into simplified products such as maps of land-cover changes or classes by learning from data examples annotated by experts. These annotations, also called labels, may actually be difficult or costly to obtain since they are established on the basis of ground surveys. As an example, it is extremely difficult to access a region recently flooded or affected by wildfires. In these situations, the detection of changes has to be done with only annotations from unaffected regions. In a similar way, it is difficult to have information on all the land-cover classes present in an image while being interested in the detection of a single one of interest. These challenging situations are called novelty detection or one-class classification in machine learning. In these situations, the learning phase has to rely only on a very limited set of annotations, but can exploit the large set of unlabeled pixels available in the images. This setting, called semi-supervised learning, allows significantly improving the detection. In this Thesis we address the development of methods for novelty detection and one-class classification with few or no labeled information. The proposed methodologies build upon the kernel methods, which take place within a principled but flexible framework for learning with data showing potentially non-linear feature relations. The thesis is divided into two parts, each one having a different assumption on the data structure and both addressing unsupervised (automatic) and semi-supervised (semi-automatic) learning settings. The first part assumes the data to be formed by arbitrary-shaped and overlapping clusters and studies the use of kernel machines, such as Support Vector Machines or Gaussian Processes. An emphasis is put on the robustness to noise and outliers and on the automatic retrieval of parameters. Experiments on multi-temporal multispectral images for change detection are carried out using only information from unchanged regions or none at all. The second part assumes high-dimensional data to lie on multiple low dimensional structures, called manifolds. We propose a method seeking a sparse and low-rank representation of the data mapped in a non-linear feature space. This representation allows us to build a graph, which is cut into several groups using spectral clustering. For the semi-supervised case where few labels of one class of interest are available, we study several approaches incorporating the graph information. The class labels can either be propagated on the graph, constrain spectral clustering or used to train a one-class classifier regularized by the given graph. Experiments on the unsupervised and oneclass classification of hyperspectral images demonstrate the effectiveness of the proposed approaches