Multiple Instance Learning: A Survey of Problem Characteristics and Applications

Multiple instance learning (MIL) is a form of weakly supervised learning where training instances are arranged in sets, called bags, and a label is provided for the entire bag. This formulation is gaining interest because it naturally fits various problems and allows to leverage weakly labeled data. Consequently, it has been used in diverse application fields such as computer vision and document classification. However, learning from bags raises important challenges that are unique to MIL. This paper provides a comprehensive survey of the characteristics which define and differentiate the types of MIL problems. Until now, these problem characteristics have not been formally identified and described. As a result, the variations in performance of MIL algorithms from one data set to another are difficult to explain. In this paper, MIL problem characteristics are grouped into four broad categories: the composition of the bags, the types of data distribution, the ambiguity of instance labels, and the task to be performed. Methods specialized to address each category are reviewed. Then, the extent to which these characteristics manifest themselves in key MIL application areas are described. Finally, experiments are conducted to compare the performance of 16 state-of-the-art MIL methods on selected problem characteristics. This paper provides insight on how the problem characteristics affect MIL algorithms, recommendations for future benchmarking and promising avenues for research

Evaluation Methodologies for Visual Information Retrieval and Annotation

Die automatisierte Evaluation von Informations-Retrieval-Systemen erlaubt Performanz und Qualität der Informationsgewinnung zu bewerten. Bereits in den 60er Jahren wurden erste Methodologien für die system-basierte Evaluation aufgestellt und in den Cranfield Experimenten überprüft. Heutzutage gehören Evaluation, Test und Qualitätsbewertung zu einem aktiven Forschungsfeld mit erfolgreichen Evaluationskampagnen und etablierten Methoden. Evaluationsmethoden fanden zunächst in der Bewertung von Textanalyse-Systemen Anwendung. Mit dem rasanten Voranschreiten der Digitalisierung wurden diese Methoden sukzessive auf die Evaluation von Multimediaanalyse-Systeme übertragen. Dies geschah häufig, ohne die Evaluationsmethoden in Frage zu stellen oder sie an die veränderten Gegebenheiten der Multimediaanalyse anzupassen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der system-basierten Evaluation von Indizierungssystemen für Bildkollektionen. Sie adressiert drei Problemstellungen der Evaluation von Annotationen: Nutzeranforderungen für das Suchen und Verschlagworten von Bildern, Evaluationsmaße für die Qualitätsbewertung von Indizierungssystemen und Anforderungen an die Erstellung visueller Testkollektionen. Am Beispiel der Evaluation automatisierter Photo-Annotationsverfahren werden relevante Konzepte mit Bezug zu Nutzeranforderungen diskutiert, Möglichkeiten zur Erstellung einer zuverlässigen Ground Truth bei geringem Kosten- und Zeitaufwand vorgestellt und Evaluationsmaße zur Qualitätsbewertung eingeführt, analysiert und experimentell verglichen. Traditionelle Maße zur Ermittlung der Performanz werden in vier Dimensionen klassifiziert. Evaluationsmaße vergeben üblicherweise binäre Kosten für korrekte und falsche Annotationen. Diese Annahme steht im Widerspruch zu der Natur von Bildkonzepten. Das gemeinsame Auftreten von Bildkonzepten bestimmt ihren semantischen Zusammenhang und von daher sollten diese auch im Zusammenhang auf ihre Richtigkeit hin überprüft werden. In dieser Arbeit wird aufgezeigt, wie semantische Ähnlichkeiten visueller Konzepte automatisiert abgeschätzt und in den Evaluationsprozess eingebracht werden können. Die Ergebnisse der Arbeit inkludieren ein Nutzermodell für die konzeptbasierte Suche von Bildern, eine vollständig bewertete Testkollektion und neue Evaluationsmaße für die anforderungsgerechte Qualitätsbeurteilung von Bildanalysesystemen.Performance assessment plays a major role in the research on Information Retrieval (IR) systems. Starting with the Cranfield experiments in the early 60ies, methodologies for the system-based performance assessment emerged and established themselves, resulting in an active research field with a number of successful benchmarking activities. With the rise of the digital age, procedures of text retrieval evaluation were often transferred to multimedia retrieval evaluation without questioning their direct applicability. This thesis investigates the problem of system-based performance assessment of annotation approaches in generic image collections. It addresses three important parts of annotation evaluation, namely user requirements for the retrieval of annotated visual media, performance measures for multi-label evaluation, and visual test collections. Using the example of multi-label image annotation evaluation, I discuss which concepts to employ for indexing, how to obtain a reliable ground truth to moderate costs, and which evaluation measures are appropriate. This is accompanied by a thorough analysis of related work on system-based performance assessment in Visual Information Retrieval (VIR). Traditional performance measures are classified into four dimensions and investigated according to their appropriateness for visual annotation evaluation. One of the main ideas in this thesis adheres to the common assumption on the binary nature of the score prediction dimension in annotation evaluation. However, the predicted concepts and the set of true indexed concepts interrelate with each other. This work will show how to utilise these semantic relationships for a fine-grained evaluation scenario. Outcomes of this thesis result in a user model for concept-based image retrieval, a fully assessed image annotation test collection, and a number of novel performance measures for image annotation evaluation

Evaluation Methodologies for Visual Information Retrieval and Annotation

Die automatisierte Evaluation von Informations-Retrieval-Systemen erlaubt Performanz und Qualität der Informationsgewinnung zu bewerten. Bereits in den 60er Jahren wurden erste Methodologien für die system-basierte Evaluation aufgestellt und in den Cranfield Experimenten überprüft. Heutzutage gehören Evaluation, Test und Qualitätsbewertung zu einem aktiven Forschungsfeld mit erfolgreichen Evaluationskampagnen und etablierten Methoden. Evaluationsmethoden fanden zunächst in der Bewertung von Textanalyse-Systemen Anwendung. Mit dem rasanten Voranschreiten der Digitalisierung wurden diese Methoden sukzessive auf die Evaluation von Multimediaanalyse-Systeme übertragen. Dies geschah häufig, ohne die Evaluationsmethoden in Frage zu stellen oder sie an die veränderten Gegebenheiten der Multimediaanalyse anzupassen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der system-basierten Evaluation von Indizierungssystemen für Bildkollektionen. Sie adressiert drei Problemstellungen der Evaluation von Annotationen: Nutzeranforderungen für das Suchen und Verschlagworten von Bildern, Evaluationsmaße für die Qualitätsbewertung von Indizierungssystemen und Anforderungen an die Erstellung visueller Testkollektionen. Am Beispiel der Evaluation automatisierter Photo-Annotationsverfahren werden relevante Konzepte mit Bezug zu Nutzeranforderungen diskutiert, Möglichkeiten zur Erstellung einer zuverlässigen Ground Truth bei geringem Kosten- und Zeitaufwand vorgestellt und Evaluationsmaße zur Qualitätsbewertung eingeführt, analysiert und experimentell verglichen. Traditionelle Maße zur Ermittlung der Performanz werden in vier Dimensionen klassifiziert. Evaluationsmaße vergeben üblicherweise binäre Kosten für korrekte und falsche Annotationen. Diese Annahme steht im Widerspruch zu der Natur von Bildkonzepten. Das gemeinsame Auftreten von Bildkonzepten bestimmt ihren semantischen Zusammenhang und von daher sollten diese auch im Zusammenhang auf ihre Richtigkeit hin überprüft werden. In dieser Arbeit wird aufgezeigt, wie semantische Ähnlichkeiten visueller Konzepte automatisiert abgeschätzt und in den Evaluationsprozess eingebracht werden können. Die Ergebnisse der Arbeit inkludieren ein Nutzermodell für die konzeptbasierte Suche von Bildern, eine vollständig bewertete Testkollektion und neue Evaluationsmaße für die anforderungsgerechte Qualitätsbeurteilung von Bildanalysesystemen.Performance assessment plays a major role in the research on Information Retrieval (IR) systems. Starting with the Cranfield experiments in the early 60ies, methodologies for the system-based performance assessment emerged and established themselves, resulting in an active research field with a number of successful benchmarking activities. With the rise of the digital age, procedures of text retrieval evaluation were often transferred to multimedia retrieval evaluation without questioning their direct applicability. This thesis investigates the problem of system-based performance assessment of annotation approaches in generic image collections. It addresses three important parts of annotation evaluation, namely user requirements for the retrieval of annotated visual media, performance measures for multi-label evaluation, and visual test collections. Using the example of multi-label image annotation evaluation, I discuss which concepts to employ for indexing, how to obtain a reliable ground truth to moderate costs, and which evaluation measures are appropriate. This is accompanied by a thorough analysis of related work on system-based performance assessment in Visual Information Retrieval (VIR). Traditional performance measures are classified into four dimensions and investigated according to their appropriateness for visual annotation evaluation. One of the main ideas in this thesis adheres to the common assumption on the binary nature of the score prediction dimension in annotation evaluation. However, the predicted concepts and the set of true indexed concepts interrelate with each other. This work will show how to utilise these semantic relationships for a fine-grained evaluation scenario. Outcomes of this thesis result in a user model for concept-based image retrieval, a fully assessed image annotation test collection, and a number of novel performance measures for image annotation evaluation

Analyzing Granger causality in climate data with time series classification methods

Attribution studies in climate science aim for scientifically ascertaining the influence of climatic variations on natural or anthropogenic factors. Many of those studies adopt the concept of Granger causality to infer statistical cause-effect relationships, while utilizing traditional autoregressive models. In this article, we investigate the potential of state-of-the-art time series classification techniques to enhance causal inference in climate science. We conduct a comparative experimental study of different types of algorithms on a large test suite that comprises a unique collection of datasets from the area of climate-vegetation dynamics. The results indicate that specialized time series classification methods are able to improve existing inference procedures. Substantial differences are observed among the methods that were tested