Learning Topic Models and Latent Bayesian Networks Under Expansion Constraints

Unsupervised estimation of latent variable models is a fundamental problem central to numerous applications of machine learning and statistics. This work presents a principled approach for estimating broad classes of such models, including probabilistic topic models and latent linear Bayesian networks, using only second-order observed moments. The sufficient conditions for identifiability of these models are primarily based on weak expansion constraints on the topic-word matrix, for topic models, and on the directed acyclic graph, for Bayesian networks. Because no assumptions are made on the distribution among the latent variables, the approach can handle arbitrary correlations among the topics or latent factors. In addition, a tractable learning method via $\ell_1$ optimization is proposed and studied in numerical experiments.Comment: 38 pages, 6 figures, 2 tables, applications in topic models and Bayesian networks are studied. Simulation section is adde

Efficient Dense Registration, Segmentation, and Modeling Methods for RGB-D Environment Perception

One perspective for artificial intelligence research is to build machines that perform tasks autonomously in our complex everyday environments. This setting poses challenges to the development of perception skills: A robot should be able to perceive its location and objects in its surrounding, while the objects and the robot itself could also be moving. Objects may not only be composed of rigid parts, but could be non-rigidly deformable or appear in a variety of similar shapes. Furthermore, it could be relevant to the task to observe object semantics. For a robot acting fluently and immediately, these perception challenges demand efficient methods. This theses presents novel approaches to robot perception with RGB-D sensors. It develops efficient registration, segmentation, and modeling methods for scene and object perception. We propose multi-resolution surfel maps as a concise representation for RGB-D measurements. We develop probabilistic registration methods that handle rigid scenes, scenes with multiple rigid parts that move differently, and scenes that undergo non-rigid deformations. We use these methods to learn and perceive 3D models of scenes and objects in both static and dynamic environments. For learning models of static scenes, we propose a real-time capable simultaneous localization and mapping approach. It aligns key views in RGB-D video using our rigid registration method and optimizes the pose graph of the key views. The acquired models are then perceived in live images through detection and tracking within a Bayesian filtering framework. An assumption frequently made for environment mapping is that the observed scene remains static during the mapping process. Through rigid multi-body registration, we take advantage of releasing this assumption: Our registration method segments views into parts that move independently between the views and simultaneously estimates their motion. Within simultaneous motion segmentation, localization, and mapping, we separate scenes into objects by their motion. Our approach acquires 3D models of objects and concurrently infers hierarchical part relations between them using probabilistic reasoning. It can be applied for interactive learning of objects and their part decomposition. Endowing robots with manipulation skills for a large variety of objects is a tedious endeavor if the skill is programmed for every instance of an object class. Furthermore, slight deformations of an instance could not be handled by an inflexible program. Deformable registration is useful to perceive such shape variations, e.g., between specific instances of a tool. We develop an efficient deformable registration method and apply it for the transfer of robot manipulation skills between varying object instances. On the object-class level, we segment images using random decision forest classifiers in real-time. The probabilistic labelings of individual images are fused in 3D semantic maps within a Bayesian framework. We combine our object-class segmentation method with simultaneous localization and mapping to achieve online semantic mapping in real-time. The methods developed in this thesis are evaluated in experiments on publicly available benchmark datasets and novel own datasets. We publicly demonstrate several of our perception approaches within integrated robot systems in the mobile manipulation context.Effiziente Dichte Registrierungs-, Segmentierungs- und Modellierungsmethoden für die RGB-D Umgebungswahrnehmung In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Herausforderungen der visuellen Wahrnehmung für intelligente Roboter in Alltagsumgebungen. Solche Roboter sollen sich selbst in ihrer Umgebung zurechtfinden, und Wissen über den Verbleib von Objekten erwerben können. Die Schwierigkeit dieser Aufgaben erhöht sich in dynamischen Umgebungen, in denen ein Roboter die Bewegung einzelner Teile differenzieren und auch wahrnehmen muss, wie sich diese Teile bewegen. Bewegt sich ein Roboter selbständig in dieser Umgebung, muss er auch seine eigene Bewegung von der Veränderung der Umgebung unterscheiden. Szenen können sich aber nicht nur durch die Bewegung starrer Teile verändern. Auch die Teile selbst können ihre Form in nicht-rigider Weise ändern. Eine weitere Herausforderung stellt die semantische Interpretation von Szenengeometrie und -aussehen dar. Damit intelligente Roboter unmittelbar und flüssig handeln können, sind effiziente Algorithmen für diese Wahrnehmungsprobleme erforderlich. Im ersten Teil dieser Arbeit entwickeln wir effiziente Methoden zur Repräsentation und Registrierung von RGB-D Messungen. Zunächst stellen wir Multi-Resolutions-Oberflächenelement-Karten (engl. multi-resolution surfel maps, MRSMaps) als eine kompakte Repräsentation von RGB-D Messungen vor, die unseren effizienten Registrierungsmethoden zugrunde liegt. Bilder können effizient in dieser Repräsentation aggregiert werde, wobei auch mehrere Bilder aus verschiedenen Blickpunkten integriert werden können, um Modelle von Szenen und Objekte aus vielfältigen Ansichten darzustellen. Für die effiziente, robuste und genaue Registrierung von MRSMaps wird eine Methode vorgestellt, die Rigidheit der betrachteten Szene voraussetzt. Die Registrierung schätzt die Kamerabewegung zwischen den Bildern und gewinnt ihre Effizienz durch die Ausnutzung der kompakten multi-resolutionalen Darstellung der Karten. Die Registrierungsmethode erzielt hohe Bildverarbeitungsraten auf einer CPU. Wir demonstrieren hohe Effizienz, Genauigkeit und Robustheit unserer Methode im Vergleich zum bisherigen Stand der Forschung auf Vergleichsdatensätzen. In einem weiteren Registrierungsansatz lösen wir uns von der Annahme, dass die betrachtete Szene zwischen Bildern statisch ist. Wir erlauben nun, dass sich rigide Teile der Szene bewegen dürfen, und erweitern unser rigides Registrierungsverfahren auf diesen Fall. Unser Ansatz segmentiert das Bild in Bereiche einzelner Teile, die sich unterschiedlich zwischen Bildern bewegen. Wir demonstrieren hohe Segmentierungsgenauigkeit und Genauigkeit in der Bewegungsschätzung unter Echtzeitbedingungen für die Verarbeitung. Schließlich entwickeln wir ein Verfahren für die Wahrnehmung von nicht-rigiden Deformationen zwischen zwei MRSMaps. Auch hier nutzen wir die multi-resolutionale Struktur in den Karten für ein effizientes Registrieren von grob zu fein. Wir schlagen Methoden vor, um aus den geschätzten Deformationen die lokale Bewegung zwischen den Bildern zu berechnen. Wir evaluieren Genauigkeit und Effizienz des Registrierungsverfahrens. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Verwendung unserer Kartenrepräsentation und Registrierungsmethoden für die Wahrnehmung von Szenen und Objekten. Wir verwenden MRSMaps und unsere rigide Registrierungsmethode, um dichte 3D Modelle von Szenen und Objekten zu lernen. Die räumlichen Beziehungen zwischen Schlüsselansichten, die wir durch Registrierung schätzen, werden in einem Simultanen Lokalisierungs- und Kartierungsverfahren (engl. simultaneous localization and mapping, SLAM) gegeneinander abgewogen, um die Blickposen der Schlüsselansichten zu schätzen. Für das Verfolgen der Kamerapose bezüglich der Modelle in Echtzeit, kombinieren wir die Genauigkeit unserer Registrierung mit der Robustheit von Partikelfiltern. Zu Beginn der Posenverfolgung, oder wenn das Objekt aufgrund von Verdeckungen oder extremen Bewegungen nicht weiter verfolgt werden konnte, initialisieren wir das Filter durch Objektdetektion. Anschließend wenden wir unsere erweiterten Registrierungsverfahren für die Wahrnehmung in nicht-rigiden Szenen und für die Übertragung von Objekthandhabungsfähigkeiten von Robotern an. Wir erweitern unseren rigiden Kartierungsansatz auf dynamische Szenen, in denen sich rigide Teile bewegen. Die Bewegungssegmente in Schlüsselansichten werden zueinander in Bezug gesetzt, um Äquivalenz- und Teilebeziehungen von Objekten probabilistisch zu inferieren, denen die Segmente entsprechen. Auch hier liefert unsere Registrierungsmethode die Bewegung der Kamera bezüglich der Objekte, die wir in einem SLAM Verfahren optimieren. Aus diesen Blickposen wiederum können wir die Bewegungssegmente in dichten Objektmodellen vereinen. Objekte einer Klasse teilen oft eine gemeinsame Topologie von funktionalen Elementen, die durch Formkorrespondenzen ermittelt werden kann. Wir verwenden unsere deformierbare Registrierung, um solche Korrespondenzen zu finden und die Handhabung eines Objektes durch einen Roboter auf neue Objektinstanzen derselben Klasse zu übertragen. Schließlich entwickeln wir einen echtzeitfähigen Ansatz, der Kategorien von Objekten in RGB-D Bildern erkennt und segmentiert. Die Segmentierung basiert auf Ensemblen randomisierter Entscheidungsbäume, die Geometrie- und Texturmerkmale zur Klassifikation verwenden. Wir fusionieren Segmentierungen von Einzelbildern einer Szene aus mehreren Ansichten in einer semantischen Objektklassenkarte mit Hilfe unseres SLAM-Verfahrens. Die vorgestellten Methoden werden auf öffentlich verfügbaren Vergleichsdatensätzen und eigenen Datensätzen evaluiert. Einige unserer Ansätze wurden auch in integrierten Robotersystemen für mobile Objekthantierungsaufgaben öffentlich demonstriert. Sie waren ein wichtiger Bestandteil für das Gewinnen der RoboCup-Roboterwettbewerbe in der RoboCup@Home Liga in den Jahren 2011, 2012 und 2013

Representation Learning: A Review and New Perspectives

The success of machine learning algorithms generally depends on data representation, and we hypothesize that this is because different representations can entangle and hide more or less the different explanatory factors of variation behind the data. Although specific domain knowledge can be used to help design representations, learning with generic priors can also be used, and the quest for AI is motivating the design of more powerful representation-learning algorithms implementing such priors. This paper reviews recent work in the area of unsupervised feature learning and deep learning, covering advances in probabilistic models, auto-encoders, manifold learning, and deep networks. This motivates longer-term unanswered questions about the appropriate objectives for learning good representations, for computing representations (i.e., inference), and the geometrical connections between representation learning, density estimation and manifold learning

Population-aware Hierarchical Bayesian Domain Adaptation via Multiple-component Invariant Learning

While machine learning is rapidly being developed and deployed in health settings such as influenza prediction, there are critical challenges in using data from one environment in another due to variability in features; even within disease labels there can be differences (e.g. "fever" may mean something different reported in a doctor's office versus in an online app). Moreover, models are often built on passive, observational data which contain different distributions of population subgroups (e.g. men or women). Thus, there are two forms of instability between environments in this observational transport problem. We first harness knowledge from health to conceptualize the underlying causal structure of this problem in a health outcome prediction task. Based on sources of stability in the model, we posit that for human-sourced data and health prediction tasks we can combine environment and population information in a novel population-aware hierarchical Bayesian domain adaptation framework that harnesses multiple invariant components through population attributes when needed. We study the conditions under which invariant learning fails, leading to reliance on the environment-specific attributes. Experimental results for an influenza prediction task on four datasets gathered from different contexts show the model can improve prediction in the case of largely unlabelled target data from a new environment and different constituent population, by harnessing both environment and population invariant information. This work represents a novel, principled way to address a critical challenge by blending domain (health) knowledge and algorithmic innovation. The proposed approach will have a significant impact in many social settings wherein who and where the data comes from matters