Context-Dependent Diffusion Network for Visual Relationship Detection

Visual relationship detection can bridge the gap between computer vision and natural language for scene understanding of images. Different from pure object recognition tasks, the relation triplets of subject-predicate-object lie on an extreme diversity space, such as \textit{person-behind-person} and \textit{car-behind-building}, while suffering from the problem of combinatorial explosion. In this paper, we propose a context-dependent diffusion network (CDDN) framework to deal with visual relationship detection. To capture the interactions of different object instances, two types of graphs, word semantic graph and visual scene graph, are constructed to encode global context interdependency. The semantic graph is built through language priors to model semantic correlations across objects, whilst the visual scene graph defines the connections of scene objects so as to utilize the surrounding scene information. For the graph-structured data, we design a diffusion network to adaptively aggregate information from contexts, which can effectively learn latent representations of visual relationships and well cater to visual relationship detection in view of its isomorphic invariance to graphs. Experiments on two widely-used datasets demonstrate that our proposed method is more effective and achieves the state-of-the-art performance.Comment: 8 pages, 3 figures, 2018 ACM Multimedia Conference (MM'18

Deep neural networks for identification of sentential relations

Natural language processing (NLP) is one of the most important technologies in the information age. Understanding complex language utterances is also a crucial part of artificial intelligence. Applications of NLP are everywhere because people communicate mostly in language: web search, advertisement, emails, customer service, language translation, etc. There are a large variety of underlying tasks and machine learning models powering NLP applications. Recently, deep learning approaches have obtained exciting performance across a broad array of NLP tasks. These models can often be trained in an end-to-end paradigm without traditional, task-specific feature engineering. This dissertation focuses on a specific NLP task --- sentential relation identification. Successfully identifying the relations of two sentences can contribute greatly to some downstream NLP problems. For example, in open-domain question answering, if the system can recognize that a new question is a paraphrase of a previously observed question, the known answers can be returned directly, avoiding redundant reasoning. For another, it is also helpful to discover some latent knowledge, such as inferring ``the weather is good today'' from another description ``it is sunny today''. This dissertation presents some deep neural networks (DNNs) which are developed to handle this sentential relation identification problem. More specifically, this problem is addressed by this dissertation in the following three aspects. (i) Sentential relation representation is built on the matching between phrases of arbitrary lengths. Stacked Convolutional Neural Networks (CNNs) are employed to model the sentences, so that each filter can cover a local phrase, and filters in lower level span shorter phrases and filters in higher level span longer phrases. CNNs in stack enable to model sentence phrases in different granularity and different abstraction. (ii) Phrase matches contribute differently to the tasks. This motivates us to propose an attention mechanism in CNNs for these tasks, differing from the popular research of attention mechanisms in Recurrent Neural Networks (RNNs). Attention mechanisms are implemented in both convolution layer as well as pooling layer in deep CNNs, in order to figure out automatically which phrase of one sentence matches a specific phrase of the other sentence. These matches are supposed to be indicative to the final decision. Another contribution in terms of attention mechanism is inspired by the observation that some sentential relation identification task, like answer selection for multi-choice question answering, is mainly determined by phrase alignments of stronger degree; in contrast, some tasks such as textual entailment benefit more from the phrase alignments of weaker degree. This motivates us to propose a dynamic ``attentive pooling'' to select phrase alignments of different intensities for different task categories. (iii) In certain scenarios, sentential relation can only be successfully identified within specific background knowledge, such as the multi-choice question answering based on passage comprehension. In this case, the relation between two sentences (question and answer candidate) depends on not only the semantics in the two sentences, but also the information encoded in the given passage. Overall, the work in this dissertation models sentential relations in hierarchical DNNs, different attentions and different background knowledge. All systems got state-of-the-art performances in representative tasks.Die Verarbeitung natürlicher Sprachen (engl.: natural language processing - NLP) ist eine der wichtigsten Technologien des Informationszeitalters. Weiterhin ist das Verstehen komplexer sprachlicher Ausdrücke ein essentieller Teil künstlicher Intelligenz. Anwendungen von NLP sind überall zu finden, da Menschen haupt\-säch\-lich über Sprache kommunizieren: Internetsuchen, Werbung, E-Mails, Kundenservice, Übersetzungen, etc. Es gibt eine große Anzahl Tasks und Modelle des maschinellen Lernens für NLP-Anwendungen. In den letzten Jahren haben Deep-Learning-Ansätze vielversprechende Ergebnisse für eine große Anzahl verschiedener NLP-Tasks erzielt. Diese Modelle können oft end-to-end trainiert werden, kommen also ohne auf den Task zugeschnittene Feature aus. Diese Dissertation hat einen speziellen NLP-Task als Fokus: Sententielle Relationsidentifizierung. Die Beziehung zwischen zwei Sätzen erfolgreich zu erkennen, kann die Performanz für nachfolgende NLP-Probleme stark verbessern. Für open-domain question answering, zum Beispiel, kann ein System, das erkennt, dass eine neue Frage eine Paraphrase einer bereits gesehenen Frage ist, die be\-kann\-te Antwort direkt zurückgeben und damit mehrfaches Schlussfolgern vermeiden. Zudem ist es auch hilfreich, zu Grunde liegendes Wissen zu entdecken, so wie das Schließen der Tatsache "das Wetter ist gut" aus der Beschreibung "es ist heute sonnig". Diese Dissertation stellt einige tiefe neuronale Netze (eng.: deep neural networks - DNNs) vor, die speziell für das Problem der sententiellen Re\-la\-tions\-i\-den\-ti\-fi\-zie\-rung entwickelt wurden. Im Speziellen wird dieses Problem in dieser Dissertation unter den folgenden drei Aspekten behandelt: (i) Sententielle Relationsrepr\"{a}sentationen basieren auf einem Matching zwischen Phrasen beliebiger Länge. Tiefe convolutional neural networks (CNNs) werden verwendet, um diese Sätze zu modellieren, sodass jeder Filter eine lokale Phrase abdecken kann, wobei Filter in niedrigeren Schichten kürzere und Filter in höheren Schichten längere Phrasen umfassen. Tiefe CNNs machen es möglich, Sätze in unterschiedlichen Granularitäten und Abstraktionsleveln zu modellieren. (ii) Matches zwischen Phrasen tragen unterschiedlich zu unterschiedlichen Tasks bei. Das motiviert uns, einen Attention-Mechanismus für CNNs für diese Tasks einzuführen, der sich von dem bekannten Attention-Mechanismus für recurrent neural networks (RNNs) unterscheidet. Wir implementieren Attention-Mechanismen sowohl im convolution layer als auch im pooling layer tiefer CNNs, um herauszufinden, welche Phrasen eines Satzes bestimmten Phrasen eines anderen Satzes entsprechen. Wir erwarten, dass solche Matches die finale Entscheidung stark beeinflussen. Ein anderer Beitrag zu Attention-Mechanismen wurde von der Beobachtung inspiriert, dass einige sententielle Relationsidentifizierungstasks, zum Beispiel die Auswahl einer Antwort für multi-choice question answering hauptsächlich von Phrasen\-a\-lignie\-rungen stärkeren Grades bestimmt werden. Im Gegensatz dazu profitieren andere Tasks wie textuelles Schließen mehr von Phrasenalignierungen schwächeren Grades. Das motiviert uns, ein dynamisches "attentive pooling" zu entwickeln, um Phrasenalignierungen verschiedener Stärken für verschiedene Taskkategorien auszuwählen. (iii) In bestimmten Szenarien können sententielle Relationen nur mit entsprechendem Hintergrundwissen erfolgreich identifiziert werden, so wie multi-choice question answering auf der Grundlage des Verständnisses eines Absatzes. In diesem Fall hängt die Relation zwischen zwei Sätzen (der Frage und der möglichen Antwort) nicht nur von der Semantik der beiden Sätze, sondern auch von der in dem gegebenen Absatz enthaltenen Information ab. Insgesamt modellieren die in dieser Dissertation enthaltenen Arbeiten sententielle Relationen in hierarchischen DNNs, mit verschiedenen Attention-Me\-cha\-nis\-men und wenn unterschiedliches Hintergrundwissen zur Verf\ {u}gung steht. Alle Systeme erzielen state-of-the-art Ergebnisse für die entsprechenden Tasks

Selective de-identification of ECGs, The

Includes bibliographical references.2022 Fall.Biometrics are often used for immigration control, business applications, civil identity, and healthcare. Biometrics can also be used for authentication, monitoring (e.g., subtle changes in biometrics may have health implications), and personalized medical concerns. Increased use of biometrics creates identity vulnerability through the exposure of personal identifiable information (PII). Hence an increasing need to not only validate but secure a patient's biometric data and identity. The latter is achieved by anonymization, or de-identification, of the PII. Using Python in collaboration with the PTB-XL ECG database from Physionet, the goal of this thesis is to create "selective de-identification." When dealing with data and de-identification, clusters, or groupings, of data with similarity of content and location in feature space are created. Classes are groupings of data with content matching that of a class definition within a given tolerance and are assigned metadata. Clusters start without derived information, i.e., metadata, that is created by intelligent algorithms, and are thus considered unstructured. Clusters are then assigned to pre-defined classes based on the features they exhibit. The goal is to focus on features that identify pathology without compromising PII. Methods to classify different pathologies are explored, and the effect on PII classification is measured. The classification scheme with the highest "gain," or (improvement in pathology classification)/ (improvement in PII classification), is deemed the preferred approach. Importantly, the process outlined can be used in many other systems involving patient recordings and diagnostic-relevant data collection

Artificial Neural Network methods applied to sentiment analysis

Sentiment Analysis (SA) is the study of opinions and emotions that are conveyed by text. This field of study has commercial applications for example in market research (e.g., “What do customers like and dislike about a product?”) and consumer behavior (e.g., “Which book will a customer buy next when he wrote a positive review about book X?”). A private person can benefit from SA by automatic movie or restaurant recommendations, or from applications on the computer or smart phone that adapt to the user’s current mood. In this thesis we will put forward research on artificial Neural Network (NN) methods applied to SA. Many challenges arise, such as sarcasm, domain dependency, and data scarcity, that need to be addressed by a successful system. In the first part of this thesis we perform linguistic analysis of a word (“hard”) under the light of SA. We show that sentiment-specific word sense disambiguation is necessary to distinguish fine nuances of polarity. Commonly available resources are not sufficient for this. The introduced Contextually Enhanced Sentiment Lexicon (CESL) is used to label occurrences of “hard” in a real dataset with its sense. That allows us to train a Support Vector Machine (SVM) with deep learning features that predicts the polarity of a single occurrence of the word, just given its context words. We show that the features we propose improve the result compared to existing standard features. Since the labeling effort is not negligible, we propose a clustering approach that reduces the manual effort to a minimum. The deep learning features that help predicting fine-grained, context-dependent polarity are computed by a Neural Network Language Model (NNLM), namely a variant of the Log-Bilinear Language model (LBL). By improving this model the performance of polarity classification might as well improve. Thus, we propose a non-linear version of the LBL and the vectorized Log-Bilinear Language model (vLBL), because non-linear models are generally considered more powerful. In a parameter study on a language modeling task, we show that the non-linear versions indeed perform better than their linear counterparts. However, the difference is small, except for settings where the model has only few parameters, which might be the case when little training data is available and the model therefore needs to be smaller in order to avoid overfitting. An alternative approach to fine-grained polarity classification as used above is to train classifiers that will do the distinction automatically. Due to the complexity of the task, the challenges of SA in general, and certain domain-specific issues (e.g., when using Twitter text) existing systems have much room to improve. Often statistical classifiers are used with simple Bag-of-Words (BOW) features or count features that stem from sentiment lexicons. We introduce a linguistically-informed Convolutional Neural Network (lingCNN) that builds upon the fact that there has been much research on language in general and sentiment lexicons in particular. lingCNN makes use of two types of linguistic features: word-based and sentence-based. Word-based features comprise features derived from sentiment lexicons, such as polarity or valence and general knowledge about language, such as a negation-based feature. Sentence-based features are also based on lexicon counts and valences. The combination of both types of features is superior to the original model without these features. Especially, when little training data is available (that can be the case for different languages that are underresourced), lingCNN proves to be significantly better (up to 12 macro-F1 points). Although, linguistic features in terms of sentiment lexicons are beneficial, their usage gives rise to a new set of problems. Most lexicons consist of infinitive forms of words only. Especially, lexicons for low-resource languages. However, the text that needs to be classified is unnormalized. Hence, we want to answer the question if morphological information is necessary for SA or if a system that neglects all this information and therefore can make better use of lexicons actually has an advantage. Our approach is to first stem or lemmatize a dataset and then perform polarity classification on it. On Czech and English datasets we show that better results can be achieved with normalization. As a positive side effect, we can compute better word embeddings by first normalizing the training corpus. This works especially well for languages that have rich morphology. We show on word similarity datasets for English, German, and Spanish that our embeddings improve performance. On a new WordNet-based evaluation we confirm these results on five different languages (Czech, English, German, Hungarian, and Spanish). The benefit of this new evaluation is further that it can be used for many other languages, as the only resource that is required is a WordNet. In the last part of the thesis, we use a recently introduced method to create an ultradense sentiment space out of generic word embeddings. This method allows us to compress 400 dimensional word embeddings down to 40 or even just 4 dimensions and still get similar results on a polarity classification task. While the training speed increases by a factor of 44, the difference in classification performance is not significant.Sentiment Analyse (SA) ist das Untersuchen von Meinungen und Emotionen die durch Text übermittelt werden. Dieses Forschungsgebiet findet kommerzielle Anwendungen in Marktforschung (z.B.: „Was mögen Kunden an einem Produkt (nicht)?“) und Konsumentenverhalten (z.B.: „Welches Buch wird ein Kunde als nächstes kaufen, nachdem er eine positive Rezension über Buch X geschrieben hat?“). Aber auch als Privatperson kann man von Forschung in SA profitieren. Beispiele hierfür sind automatisch erstellte Film- oder Restaurantempfehlungen oder Anwendungen auf Computer oder Smartphone die sich der aktuellen Stimmungslage des Benutzers anpassen. In dieser Arbeit werden wir Forschung auf dem Gebiet der Neuronen Netze (NN) angewendet auf SA vorantreiben. Dabei ergeben sich viele Herausforderungen, wie Sarkasmus, Domänenabhängigkeit und Datenarmut, die ein erfolgreiches System angehen muss. Im ersten Teil der Arbeit führen wir eine linguistische Analyse des englischen Wortes „hard“ in Hinblick auf SA durch. Wir zeigen, dass sentiment-spezifische Wortbedeutungsdisambiguierung notwendig ist, um feine Nuancen von Polarität (positive vs. negative Stimmung) unterscheiden zu können. Häufig verwendete, frei verfügbare Ressourcen sind dafür nicht ausreichend. Daher stellen wir CESL (Contextually Enhanced Sentiment Lexicon), ein sentiment-spezifisches Bedeutungslexicon vor, welches verwendet wird, um Vorkommen von „hard“ in einem realen Datensatz mit seinen Bedeutungen zu versehen. Das Lexikon erlaubt es eine Support Vector Machine (SVM) mit Features aus dem Deep Learning zu trainieren, die in der Lage ist, die Polarität eines Vorkommens nur anhand seiner Kontextwörter vorherzusagen. Wir zeigen, dass die vorgestellten Features die Ergebnisse der SVM verglichen mit Standard-Features verbessern. Da der Aufwand für das Erstellen von markierten Trainingsdaten nicht zu unterschätzen ist, stellen wir einen Clustering-Ansatz vor, der den manuellen Markierungsaufwand auf ein Minimum reduziert. Die Deep Learning Features, die die Vorhersage von feingranularer, kontextabhängiger Polarität verbessern, werden mittels eines neuronalen Sprachmodells, genauer eines Log-Bilinear Language model (LBL)s, berechnet. Wenn man dieses Modell verbessert, wird vermutlich auch das Ergebnis der Polaritätsklassifikation verbessert. Daher führen wir nichtlineare Versionen des LBL und vectorized Log-Bilinear Language model (vLBL) ein, weil nichtlineare Modelle generell als mächtiger angesehen werden. In einer Parameterstudie zur Sprachmodellierung zeigen wir, dass nichtlineare Modelle tatsächlich besser abschneiden, als ihre linearen Gegenstücke. Allerdings ist der Unterschied gering, es sei denn die Modelle können nur auf wenige Parameter zurückgreifen. So etwas kommt zum Beispiel vor, wenn nur wenige Trainingsdaten verfügbar sind und das Modell deshalb kleiner sein muss, um Überanpassung zu verhindern. Ein alternativer Ansatz zur feingranularen Polaritätsklassifikation wie oben verwendet, ist es, einen Klassifikator zu trainieren, der die Unterscheidung automatisch vornimmt. Durch die Komplexität der Aufgabe, der Herausforderungen von SA im Allgemeinen und speziellen domänenspezifischen Problemen (z.B.: wenn Twitter-Daten verwendet werden) haben existierende Systeme noch immer großes Optimierungspotential. Oftmals verwenden statistische Klassifikatoren einfache Bag-of-Words (BOW)-Features. Alternativ kommen Zähl-Features zum Einsatz, die auf Sentiment-Lexika aufsetzen. Wir stellen linguistically-informed Convolutional Neural Network (lingCNN) vor, dass auf dem Fakt beruht, dass bereits viel Forschung in Sprachen und Sentiment-Lexika geflossen ist. lingCNN macht von zwei linguistischen Feature-Typen Gebrauch: wortbasierte und satzbasierte. Wort-basierte Features umfassen Features die von Sentiment-Lexika, wie Polarität oder Valenz (die Stärke der Polarität) und generellem Wissen über Sprache, z.B.: Verneinung, herrühren. Satzbasierte Features basieren ebenfalls auf Zähl-Features von Lexika und auf Valenzen. Die Kombination beider Feature-Typen ist dem Originalmodell ohne linguistische Features überlegen. Besonders wenn wenige Trainingsdatensätze vorhanden sind (das kann der Fall für Sprachen sein, die weniger erforscht sind als englisch). lingCNN schneidet signifikant besser ab (bis zu 12 macro-F1 Punkte). Obwohl linguistische Features basierend auf Sentiment-Lexika vorteilhaft sind, führt deren Verwendung zu neuen Problemen. Der Großteil der Lexika enthält nur Infinitivformen der Wörter. Dies gilt insbesondere für Sprachen mit wenigen Ressourcen. Das ist eine Herausforderung, weil der Text der klassifiziert werden soll in der Regel nicht normalisiert ist. Daher wollen wir die Frage beantworten, ob morphologische Information für SA überhaupt notwendig ist oder ob ein System, dass jegliche morphologische Information ignoriert und dadurch bessere Verwendung der Lexika erzielt, einen Vorteil genießt. Unser Ansatz besteht aus Stemming und Lemmatisierung des Datensatzes, bevor dann die Polaritätsklassifikation durchgeführt wird. Auf englischen und tschechischen Daten zeigen wir, dass durch Normalisierung bessere Ergebnisse erzielt werden. Als positiven Nebeneffekt kann man bessere Wortrepresentationen (engl. word embeddings) berechnen, indem das Trainingskorpus zuerst normalisiert wird. Das funktioniert besonders gut für morphologisch reiche Sprachen. Wir zeigen auf Datensätzen zur Wortähnlichkeit für deutsch, englisch und spanisch, dass unsere Wortrepresentationen die Ergebnisse verbessern. In einer neuen WordNet-basierten Evaluation bestätigen wir diese Ergebnisse für fünf verschiedene Sprachen (deutsch, englisch, spanisch, tschechisch und ungarisch). Der Vorteil dieser Evaluation ist weiterhin, dass sie für viele Sprachen angewendet werden kann, weil sie lediglich ein WordNet als Ressource benötigt. Im letzten Teil der Arbeit verwenden wir eine kürzlich vorgestellte Methode zur Erstellen eines ultradichten Sentiment-Raumes aus generischen Wortrepresentationen. Diese Methode erlaubt es uns 400 dimensionale Wortrepresentationen auf 40 oder sogar nur 4 Dimensionen zu komprimieren und weiterhin die gleichen Resultate in Polaritätsklassifikation zu erhalten. Während die Trainingsgeschwindigkeit um einen Faktor von 44 verbessert wird, sind die Unterschiede in der Polaritätsklassifikation nicht signifikant