Query-Driven Global Graph Attention Model for Visual Parsing: Recognizing Handwritten and Typeset Math Formulas

We present a new visual parsing method based on standard Convolutional Neural Networks (CNNs) for handwritten and typeset mathematical formulas. The Query-Driven Global Graph Attention (QD-GGA) parser employs multi-task learning, using a single feature representation for locating, classifying, and relating symbols. QD-GGA parses formulas by first constructing a Line-Of-Sight (LOS) graph over the input primitives (e.g handwritten strokes or connected components in images). Second, class distributions for LOS nodes and edges are obtained using query-specific feature filters (i.e., attention) in a single feed-forward pass. This allows end-to-end structure learning using a joint loss over primitive node and edge class distributions. Finally, a Maximum Spanning Tree (MST) is extracted from the weighted graph using Edmonds\u27 Arborescence Algorithm. The model may be run recurrently over the input graph, updating attention to focus on symbols detected in the previous iteration. QD-GGA does not require additional grammar rules and the language model is learned from the sets of symbols/relationships and the statistics over them in the training set. We benchmark our system against both handwritten and typeset state-of-the-art math recognition systems. Our preliminary results show that this is a promising new approach for visual parsing of math formulas. Using recurrent execution, symbol detection is near perfect for both handwritten and typeset formulas: we obtain a symbol f-measure of over 99.4% for both the CROHME (handwritten) and INFTYMCCDB-2 (typeset formula image) datasets. Our method is also much faster in both training and execution than state-of-the-art RNN-based formula parsers. The unlabeled structure detection of QDGGA is competitive with encoder-decoder models, but QD-GGA symbol and relationship classification is weaker. We believe this may be addressed through increased use of spatial features and global context

Mathematical Expression Recognition based on Probabilistic Grammars

[EN] Mathematical notation is well-known and used all over the world. Humankind has evolved from simple methods representing countings to current well-defined math notation able to account for complex problems. Furthermore, mathematical expressions constitute a universal language in scientific fields, and many information resources containing mathematics have been created during the last decades. However, in order to efficiently access all that information, scientific documents have to be digitized or produced directly in electronic formats. Although most people is able to understand and produce mathematical information, introducing math expressions into electronic devices requires learning specific notations or using editors. Automatic recognition of mathematical expressions aims at filling this gap between the knowledge of a person and the input accepted by computers. This way, printed documents containing math expressions could be automatically digitized, and handwriting could be used for direct input of math notation into electronic devices. This thesis is devoted to develop an approach for mathematical expression recognition. In this document we propose an approach for recognizing any type of mathematical expression (printed or handwritten) based on probabilistic grammars. In order to do so, we develop the formal statistical framework such that derives several probability distributions. Along the document, we deal with the definition and estimation of all these probabilistic sources of information. Finally, we define the parsing algorithm that globally computes the most probable mathematical expression for a given input according to the statistical framework. An important point in this study is to provide objective performance evaluation and report results using public data and standard metrics. We inspected the problems of automatic evaluation in this field and looked for the best solutions. We also report several experiments using public databases and we participated in several international competitions. Furthermore, we have released most of the software developed in this thesis as open source. We also explore some of the applications of mathematical expression recognition. In addition to the direct applications of transcription and digitization, we report two important proposals. First, we developed mucaptcha, a method to tell humans and computers apart by means of math handwriting input, which represents a novel application of math expression recognition. Second, we tackled the problem of layout analysis of structured documents using the statistical framework developed in this thesis, because both are two-dimensional problems that can be modeled with probabilistic grammars. The approach developed in this thesis for mathematical expression recognition has obtained good results at different levels. It has produced several scientific publications in international conferences and journals, and has been awarded in international competitions.[ES] La notación matemática es bien conocida y se utiliza en todo el mundo. La humanidad ha evolucionado desde simples métodos para representar cuentas hasta la notación formal actual capaz de modelar problemas complejos. Además, las expresiones matemáticas constituyen un idioma universal en el mundo científico, y se han creado muchos recursos que contienen matemáticas durante las últimas décadas. Sin embargo, para acceder de forma eficiente a toda esa información, los documentos científicos han de ser digitalizados o producidos directamente en formatos electrónicos. Aunque la mayoría de personas es capaz de entender y producir información matemática, introducir expresiones matemáticas en dispositivos electrónicos requiere aprender notaciones especiales o usar editores. El reconocimiento automático de expresiones matemáticas tiene como objetivo llenar ese espacio existente entre el conocimiento de una persona y la entrada que aceptan los ordenadores. De este modo, documentos impresos que contienen fórmulas podrían digitalizarse automáticamente, y la escritura se podría utilizar para introducir directamente notación matemática en dispositivos electrónicos. Esta tesis está centrada en desarrollar un método para reconocer expresiones matemáticas. En este documento proponemos un método para reconocer cualquier tipo de fórmula (impresa o manuscrita) basado en gramáticas probabilísticas. Para ello, desarrollamos el marco estadístico formal que deriva varias distribuciones de probabilidad. A lo largo del documento, abordamos la definición y estimación de todas estas fuentes de información probabilística. Finalmente, definimos el algoritmo que, dada cierta entrada, calcula globalmente la expresión matemática más probable de acuerdo al marco estadístico. Un aspecto importante de este trabajo es proporcionar una evaluación objetiva de los resultados y presentarlos usando datos públicos y medidas estándar. Por ello, estudiamos los problemas de la evaluación automática en este campo y buscamos las mejores soluciones. Asimismo, presentamos diversos experimentos usando bases de datos públicas y hemos participado en varias competiciones internacionales. Además, hemos publicado como código abierto la mayoría del software desarrollado en esta tesis. También hemos explorado algunas de las aplicaciones del reconocimiento de expresiones matemáticas. Además de las aplicaciones directas de transcripción y digitalización, presentamos dos propuestas importantes. En primer lugar, desarrollamos mucaptcha, un método para discriminar entre humanos y ordenadores mediante la escritura de expresiones matemáticas, el cual representa una novedosa aplicación del reconocimiento de fórmulas. En segundo lugar, abordamos el problema de detectar y segmentar la estructura de documentos utilizando el marco estadístico formal desarrollado en esta tesis, dado que ambos son problemas bidimensionales que pueden modelarse con gramáticas probabilísticas. El método desarrollado en esta tesis para reconocer expresiones matemáticas ha obtenido buenos resultados a diferentes niveles. Este trabajo ha producido varias publicaciones en conferencias internacionales y revistas, y ha sido premiado en competiciones internacionales.[CA] La notació matemàtica és ben coneguda i s'utilitza a tot el món. La humanitat ha evolucionat des de simples mètodes per representar comptes fins a la notació formal actual capaç de modelar problemes complexos. A més, les expressions matemàtiques constitueixen un idioma universal al món científic, i s'han creat molts recursos que contenen matemàtiques durant les últimes dècades. No obstant això, per accedir de forma eficient a tota aquesta informació, els documents científics han de ser digitalitzats o produïts directament en formats electrònics. Encara que la majoria de persones és capaç d'entendre i produir informació matemàtica, introduir expressions matemàtiques en dispositius electrònics requereix aprendre notacions especials o usar editors. El reconeixement automàtic d'expressions matemàtiques té per objectiu omplir aquest espai existent entre el coneixement d'una persona i l'entrada que accepten els ordinadors. D'aquesta manera, documents impresos que contenen fórmules podrien digitalitzar-se automàticament, i l'escriptura es podria utilitzar per introduir directament notació matemàtica en dispositius electrònics. Aquesta tesi està centrada en desenvolupar un mètode per reconèixer expressions matemàtiques. En aquest document proposem un mètode per reconèixer qualsevol tipus de fórmula (impresa o manuscrita) basat en gramàtiques probabilístiques. Amb aquesta finalitat, desenvolupem el marc estadístic formal que deriva diverses distribucions de probabilitat. Al llarg del document, abordem la definició i estimació de totes aquestes fonts d'informació probabilística. Finalment, definim l'algorisme que, donada certa entrada, calcula globalment l'expressió matemàtica més probable d'acord al marc estadístic. Un aspecte important d'aquest treball és proporcionar una avaluació objectiva dels resultats i presentar-los usant dades públiques i mesures estàndard. Per això, estudiem els problemes de l'avaluació automàtica en aquest camp i busquem les millors solucions. Així mateix, presentem diversos experiments usant bases de dades públiques i hem participat en diverses competicions internacionals. A més, hem publicat com a codi obert la majoria del software desenvolupat en aquesta tesi. També hem explorat algunes de les aplicacions del reconeixement d'expressions matemàtiques. A més de les aplicacions directes de transcripció i digitalització, presentem dues propostes importants. En primer lloc, desenvolupem mucaptcha, un mètode per discriminar entre humans i ordinadors mitjançant l'escriptura d'expressions matemàtiques, el qual representa una nova aplicació del reconeixement de fórmules. En segon lloc, abordem el problema de detectar i segmentar l'estructura de documents utilitzant el marc estadístic formal desenvolupat en aquesta tesi, donat que ambdós són problemes bidimensionals que poden modelar-se amb gramàtiques probabilístiques. El mètode desenvolupat en aquesta tesi per reconèixer expressions matemàtiques ha obtingut bons resultats a diferents nivells. Aquest treball ha produït diverses publicacions en conferències internacionals i revistes, i ha sigut premiat en competicions internacionals.Álvaro Muñoz, F. (2015). Mathematical Expression Recognition based on Probabilistic Grammars [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/51665TESI

Nuevos retos en clasificación asociativa: Big Data y aplicaciones

La clasificación asociativa surge como resultado de la unión de dos importantes ámbitos del aprendizaje automático. Por un lado la tarea descriptiva de extracción de reglas de asociación, como mecanismo para obtener información previamente desconocida e interesante de un conjunto de datos, combinado con una tarea predictiva, como es la clasificación, que permite en base a un conjunto de variables explicativas y previamente conocidas realizar una predicción sobre una variable de interés o predictiva. Los objetivos de esta tesis doctoral son los siguientes: 1) El estudio y el análisis del estado del arte de tanto la extracción de reglas de asociación como de la clasificación asociativa; 2) La propuesta de nuevos modelos de clasificación asociativa así como de extracción de reglas de asociación teniendo en cuenta la obtención de modelos que sean precisos, interpretables, eficientes así como flexibles para poder introducir conocimiento subjetivo en éstos. 3) Adicionalmente, y dado la gran cantidad de datos que cada día se genera en las últimas décadas, se prestará especial atención al tratamiento de grandes cantidades datos, también conocido como Big Data. En primer lugar, se ha analizado el estado del arte tanto de clasificación asociativa como de la extracción de reglas de asociación. En este sentido, se ha realizado un estudio y análisis exhaustivo de la bibliografía de los trabajos relacionados para poder conocer con gran nivel de detalle el estado del arte. Como resultado, se ha permitido sentar las bases para la consecución de los demás objetivos así como detectar que dentro de la clasificación asociativa se requería de algún mecanismo que facilitara la unificación de comparativas así como que fueran lo más completas posibles. Para tal fin, se ha propuesto una herramienta de software que cuenta con al menos un algoritmo de todas las categorías que componen la taxonomía actual. Esto permitirá dentro de las investigaciones del área, realizar comparaciones más diversas y completas que hasta el momento se consideraba una tarea en el mejor de los casos muy ardua, al no estar disponibles muchos de los algoritmos en un formato ejecutable ni mucho menos como código abierto. Además, esta herramienta también dispone de un conjunto muy diverso de métricas que permite cuantificar la calidad de los resultados desde diferentes perspectivas. Esto permite conseguir clasificadores lo más completos posibles, así como para unificar futuras comparaciones con otras propuestas. En segundo lugar, y como resultado del análisis previo, se ha detectado que las propuestas actuales no permiten escalar, ni horizontalmente, ni verticalmente, las metodologías sobre conjuntos de datos relativamente grandes. Dado el creciente interés, tanto del mundo académico como del industrial, de aumentar la capacidad de cómputo a ingentes cantidades de datos, se ha considerado interesante continuar esta tesis doctoral realizando un análisis de diferentes propuestas sobre Big Data. Para tal fin, se ha comenzado realizando un análisis pormenorizado de los últimos avances para el tratamiento de tal cantidad de datos. En este respecto, se ha prestado especial atención a la computación distribuida ya que ha demostrado ser el único procedimiento que permite el tratamiento de grandes cantidades de datos sin la realización de técnicas de muestreo. En concreto, se ha prestado especial atención a las metodologías basadas en MapReduce que permite la descomposición de problemas complejos en fracciones divisibles y paralelizables, que posteriormente pueden ser agrupadas para obtener el resultado final. Como resultado de este objetivo se han propuesto diferentes algoritmos que permiten el tratamiento de grandes cantidades de datos, sin la pérdida de precisión ni interpretabilidad. Todos los algoritmos propuestos se han diseñado para que puedan funcionar sobre las implementaciones de código abierto más conocidas de MapReduce. En tercer y último lugar, se ha considerado interesante realizar una propuesta que mejore el estado del arte de la clasificación asociativa. Para tal fin, y dado que las reglas de asociación son la base y factores determinantes para los clasificadores asociativos, se ha comenzado realizando una nueva propuesta para la extracción de reglas de asociación. En este aspecto, se ha combinado el uso de los últimos avances en computación distribuida, como MapReduce, con los algoritmos evolutivos que han demostrado obtener excelentes resultados en el área. En particular, se ha hecho uso de programación genética gramatical por su flexibilidad para codificar las soluciones, así como introducir conocimiento subjetivo en el proceso de búsqueda a la vez que permiten aliviar los requisitos computacionales y de memoria. Este nuevo algoritmo, supone una mejora significativa de la extracción de reglas de asociación ya que ha demostrado obtener mejores resultados que las propuestas existentes sobre diferentes tipos de datos así como sobre diferentes métricas de interés, es decir, no sólo obtiene mejores resultados sobre Big Data, sino que se ha comparado en su versión secuencial con los algoritmos existentes. Una vez que se ha conseguido este algoritmo que permite extraer excelentes reglas de asociación, se ha adaptado para la obtención de reglas de asociación de clase así como para obtener un clasificador a partir de tales reglas. De nuevo, se ha hecho uso de programación genética gramatical para la obtención del clasificador de forma que se permite al usuario no sólo introducir conocimiento subjetivo en las propias formas de las reglas, sino también en la forma final del clasificador. Esta nueva propuesta también se ha comparado con los algoritmos existentes de clasificación asociativa forma secuencial para garantizar que consigue diferencias significativas respecto a éstos en términos de exactitud, interpretabilidad y eficiencia. Adicionalmente, también se ha comparado con otras propuestas específicas de Big Data demostrado obtener excelentes resultados a la vez que mantiene un compromiso entre los objetivos conflictivos de interpretabilidad, exactitud y eficiencia. Esta tesis doctoral se ha desarrollado bajo un entorno experimental apropiado, haciendo uso de diversos conjunto de datos incluyendo tanto datos de pequeña dimensionalidad como Big Data. Además, todos los conjuntos de datos usados están publicados libremente y conforman un conglomerado de diversas dimensionalidades, número de instancias y de clases. Todos los resultados obtenidos se han comparado con el estado de arte correspondiente, y se ha hecho uso de tests estadísticos no paramétricos para comprobar que las diferencias encontradas son significativas desde un punto de vista estadístico, y no son fruto del azar. Adicionalmente, todas las comparaciones realizadas consideran diferentes perspectivas, es decir, se ha analizado rendimiento, eficiencia, precisión así como interpretabilidad en cada uno de los estudios.This Doctoral Thesis aims at solving the challenging problem of associative classification and its application on very large datasets. First, associative classification state-of-art has been studied and analyzed, and a new tool covering the whole taxonomy of algorithms as well as providing many different measures has been proposed. The goal of this tool is two-fold: 1) unification of comparisons, since existing works compare with very different measures; 2) providing a unique tool which has at least one algorithm of each category forming the taxonomy. This tool is a very important advancement in the field, since until the moment the whole taxonomy has not been covered due to that many algorithms have not been released as open source nor they were available to be run. Second, AC has been analyzed on very large quantities of data. In this regard, many different platforms for distributed computing have been studied and different proposals have been developed on them. These proposals enable to deal with very large data in a efficient way scaling up the load on very different compute nodes. Third, as one of the most important part of the associative classification is to extract high quality rules, it has been proposed a novel grammar-guided genetic programming algorithm which enables to obtain interesting association rules with regard to different metrics and in different kinds of data, including truly Big Data datasets. This proposal has proved to obtain very good results in terms of both quality and interpretability, at the same time of providing a very flexible way of representing the solutions and enabling to introduce subjective knowledge in the search process. Then, a novel algorithm has been proposed for associative classification using a non-trivial adaptation of the aforementioned algorithm to obtain the rules forming the classifier. This methodology is also based on grammar-guided genetic programming enabling user not only to constrain the form of the rules, but the final form of the classifier. Results have proved that this algorithm obtains very accurate classifiers at the same time of maintaining a good level of interpretability. All the methodologies proposed along this Thesis has been evaluated using a proper experimental framework, using a varied set of datasets including both classical and Big Data dataset, and analyzing different metrics to quantify the quality of the algorithms with regard to different perspectives. Results have been compared with state-of-the-art and they have been verified by means of non-parametric statistical tests proving that the proposed methods overcome to existing approaches

A Diagram Is Worth A Dozen Images

Diagrams are common tools for representing complex concepts, relationships and events, often when it would be difficult to portray the same information with natural images. Understanding natural images has been extensively studied in computer vision, while diagram understanding has received little attention. In this paper, we study the problem of diagram interpretation and reasoning, the challenging task of identifying the structure of a diagram and the semantics of its constituents and their relationships. We introduce Diagram Parse Graphs (DPG) as our representation to model the structure of diagrams. We define syntactic parsing of diagrams as learning to infer DPGs for diagrams and study semantic interpretation and reasoning of diagrams in the context of diagram question answering. We devise an LSTM-based method for syntactic parsing of diagrams and introduce a DPG-based attention model for diagram question answering. We compile a new dataset of diagrams with exhaustive annotations of constituents and relationships for over 5,000 diagrams and 15,000 questions and answers. Our results show the significance of our models for syntactic parsing and question answering in diagrams using DPGs

Interactive interpretation of structured documents: Application to the recognition of handwritten architectural plans

International audienceThis paper addresses a whole architecture, including the IMISketch method. IMISketch method incorporates two aspects: document analysis and interactivity. This paper describes a global vision of all the parts of the project. IMISketch is a generic method for an interactive interpretation of handwritten sketches. The analysis of complex documents requires the management of uncertainty. While, in practice the similar methods often induce a large combinatorics, IMISketch method presents several optimization strategies to reduce the combinatorics. The goal of these optimizations is to have a time analysis compatible with user expectations. The decision process is able to solicit the user in the case of strong ambiguity: when it is not sure to make the right decision, the user explicitly validates the right decision to avoid a fastidious a posteriori verification phase due to propagation of errors.This interaction requires solving two major problems: how interpretation results will be presented to the user, and how the user will interact with analysis process. We propose to study the effects of those two aspects. The experiments demonstrate that (i) a progressive presentation of the analysis results, (ii) user interventions during it and (iii) the user solicitation by the analysis process are an efficient strategy for the recognition of complex off-line documents.To validate this interactive analysis method, several experiments are reported on off-line handwritten 2D architectural floor plans

Pedestrian Attribute Recognition: A Survey

Recognizing pedestrian attributes is an important task in computer vision community due to it plays an important role in video surveillance. Many algorithms has been proposed to handle this task. The goal of this paper is to review existing works using traditional methods or based on deep learning networks. Firstly, we introduce the background of pedestrian attributes recognition (PAR, for short), including the fundamental concepts of pedestrian attributes and corresponding challenges. Secondly, we introduce existing benchmarks, including popular datasets and evaluation criterion. Thirdly, we analyse the concept of multi-task learning and multi-label learning, and also explain the relations between these two learning algorithms and pedestrian attribute recognition. We also review some popular network architectures which have widely applied in the deep learning community. Fourthly, we analyse popular solutions for this task, such as attributes group, part-based, \emph{etc}. Fifthly, we shown some applications which takes pedestrian attributes into consideration and achieve better performance. Finally, we summarized this paper and give several possible research directions for pedestrian attributes recognition. The project page of this paper can be found from the following website: \url{https://sites.google.com/view/ahu-pedestrianattributes/}.Comment: Check our project page for High Resolution version of this survey: https://sites.google.com/view/ahu-pedestrianattributes

Deepr: A Convolutional Net for Medical Records

Feature engineering remains a major bottleneck when creating predictive systems from electronic medical records. At present, an important missing element is detecting predictive regular clinical motifs from irregular episodic records. We present Deepr (short for Deep record), a new end-to-end deep learning system that learns to extract features from medical records and predicts future risk automatically. Deepr transforms a record into a sequence of discrete elements separated by coded time gaps and hospital transfers. On top of the sequence is a convolutional neural net that detects and combines predictive local clinical motifs to stratify the risk. Deepr permits transparent inspection and visualization of its inner working. We validate Deepr on hospital data to predict unplanned readmission after discharge. Deepr achieves superior accuracy compared to traditional techniques, detects meaningful clinical motifs, and uncovers the underlying structure of the disease and intervention space