An Unsolicited Soliloquy on Dependency Parsing

Programa Oficial de Doutoramento en Computación . 5009V01[Abstract] This thesis presents work on dependency parsing covering two distinct lines of research. The first aims to develop efficient parsers so that they can be fast enough to parse large amounts of data while still maintaining decent accuracy. We investigate two techniques to achieve this. The first is a cognitively-inspired method and the second uses a model distillation method. The first technique proved to be utterly dismal, while the second was somewhat of a success. The second line of research presented in this thesis evaluates parsers. This is also done in two ways. We aim to evaluate what causes variation in parsing performance for different algorithms and also different treebanks. This evaluation is grounded in dependency displacements (the directed distance between a dependent and its head) and the subsequent distributions associated with algorithms and the distributions found in treebanks. This work sheds some light on the variation in performance for both different algorithms and different treebanks. And the second part of this area focuses on the utility of part-of-speech tags when used with parsing systems and questions the standard position of assuming that they might help but they certainly won’t hurt.[Resumen] Esta tesis presenta trabajo sobre análisis de dependencias que cubre dos líneas de investigación distintas. La primera tiene como objetivo desarrollar analizadores eficientes, de modo que sean suficientemente rápidos como para analizar grandes volúmenes de datos y, al mismo tiempo, sean suficientemente precisos. Investigamos dos métodos. El primero se basa en teorías cognitivas y el segundo usa una técnica de destilación. La primera técnica resultó un enorme fracaso, mientras que la segunda fue en cierto modo un ´éxito. La otra línea evalúa los analizadores sintácticos. Esto también se hace de dos maneras. Evaluamos la causa de la variación en el rendimiento de los analizadores para distintos algoritmos y corpus. Esta evaluación utiliza la diferencia entre las distribuciones del desplazamiento de arista (la distancia dirigida de las aristas) correspondientes a cada algoritmo y corpus. También evalúa la diferencia entre las distribuciones del desplazamiento de arista en los datos de entrenamiento y prueba. Este trabajo esclarece las variaciones en el rendimiento para algoritmos y corpus diferentes. La segunda parte de esta línea investiga la utilidad de las etiquetas gramaticales para los analizadores sintácticos.[Resumo] Esta tese presenta traballo sobre análise sintáctica, cubrindo dúas liñas de investigación. A primeira aspira a desenvolver analizadores eficientes, de maneira que sexan suficientemente rápidos para procesar grandes volumes de datos e á vez sexan precisos. Investigamos dous métodos. O primeiro baséase nunha teoría cognitiva, e o segundo usa unha técnica de destilación. O primeiro método foi un enorme fracaso, mentres que o segundo foi en certo modo un éxito. A outra liña avalúa os analizadores sintácticos. Esto tamén se fai de dúas maneiras. Avaliamos a causa da variación no rendemento dos analizadores para distintos algoritmos e corpus. Esta avaliaci´on usa a diferencia entre as distribucións do desprazamento de arista (a distancia dirixida das aristas) correspondentes aos algoritmos e aos corpus. Tamén avalía a diferencia entre as distribucións do desprazamento de arista nos datos de adestramento e proba. Este traballo esclarece as variacións no rendemento para algoritmos e corpus diferentes. A segunda parte desta liña investiga a utilidade das etiquetas gramaticais para os analizadores sintácticos.This work has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (FASTPARSE, grant agreement No 714150) and from the Centro de Investigación de Galicia (CITIC) which is funded by the Xunta de Galicia and the European Union (ERDF - Galicia 2014-2020 Program) by grant ED431G 2019/01.Xunta de Galicia; ED431G 2019/0

4 and 7-bit Labeling for Projective and Non-Projective Dependency Trees

We introduce an encoding for parsing as sequence labeling that can represent any projective dependency tree as a sequence of 4-bit labels, one per word. The bits in each word's label represent (1) whether it is a right or left dependent, (2) whether it is the outermost (left/right) dependent of its parent, (3) whether it has any left children and (4) whether it has any right children. We show that this provides an injective mapping from trees to labels that can be encoded and decoded in linear time. We then define a 7-bit extension that represents an extra plane of arcs, extending the coverage to almost full non-projectivity (over 99.9% empirical arc coverage). Results on a set of diverse treebanks show that our 7-bit encoding obtains substantial accuracy gains over the previously best-performing sequence labeling encodings.Comment: Accepted for publication at EMNLP 202

On the Use of Parsing for Named Entity Recognition

[Abstract] Parsing is a core natural language processing technique that can be used to obtain the structure underlying sentences in human languages. Named entity recognition (NER) is the task of identifying the entities that appear in a text. NER is a challenging natural language processing task that is essential to extract knowledge from texts in multiple domains, ranging from financial to medical. It is intuitive that the structure of a text can be helpful to determine whether or not a certain portion of it is an entity and if so, to establish its concrete limits. However, parsing has been a relatively little-used technique in NER systems, since most of them have chosen to consider shallow approaches to deal with text. In this work, we study the characteristics of NER, a task that is far from being solved despite its long history; we analyze the latest advances in parsing that make its use advisable in NER settings; we review the different approaches to NER that make use of syntactic information; and we propose a new way of using parsing in NER based on casting parsing itself as a sequence labeling task.Xunta de Galicia; ED431C 2020/11Xunta de Galicia; ED431G 2019/01This work has been funded by MINECO, AEI and FEDER of UE through the ANSWER-ASAP project (TIN2017-85160-C2-1-R); and by Xunta de Galicia through a Competitive Reference Group grant (ED431C 2020/11). CITIC, as Research Center of the Galician University System, is funded by the Consellería de Educación, Universidade e Formación Profesional of the Xunta de Galicia through the European Regional Development Fund (ERDF/FEDER) with 80%, the Galicia ERDF 2014-20 Operational Programme, and the remaining 20% from the Secretaría Xeral de Universidades (Ref. ED431G 2019/01). Carlos Gómez-Rodríguez has also received funding from the European Research Council (ERC), under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (FASTPARSE, Grant No. 714150)

Viability of Sequence Labeling Encodings for Dependency Parsing

Programa Oficial de Doutoramento en Computación . 5009V01[Abstract] This thesis presents new methods for recasting dependency parsing as a sequence labeling task yielding a viable alternative to the traditional transition- and graph-based approaches. It is shown that sequence labeling parsers provide several advantages for dependency parsing, such as: (i) a good trade-off between accuracy and parsing speed, (ii) genericity which enables running a parser in generic sequence labeling software and (iii) pluggability which allows using full parse trees as features to downstream tasks. The backbone of dependency parsing as sequence labeling are the encodings which serve as linearization methods for mapping dependency trees into discrete labels, such that each token in a sentence is associated with a label. We introduce three encoding families comprising: (i) head selection, (ii) bracketing-based and (iii) transition-based encodings which are differentiated by the way they represent a dependency tree as a sequence of labels. We empirically examine the viability of the encodings and provide an analysis of their facets. Furthermore, we explore the feasibility of leveraging external complementary data in order to enhance parsing performance. Our sequence labeling parser is endowed with two kinds of representations. First, we exploit the complementary nature of dependency and constituency parsing paradigms and enrich the parser with representations from both syntactic abstractions. Secondly, we use human language processing data to guide our parser with representations from eye movements. Overall, the results show that recasting dependency parsing as sequence labeling is a viable approach that is fast and accurate and provides a practical alternative for integrating syntax in NLP tasks.[Resumen] Esta tesis presenta nuevos métodos para reformular el análisis sintáctico de dependencias como una tarea de etiquetado secuencial, lo que supone una alternativa viable a los enfoques tradicionales basados en transiciones y grafos. Se demuestra que los analizadores de etiquetado secuencial ofrecen varias ventajas para el análisis sintáctico de dependencias, como por ejemplo (i) un buen equilibrio entre la precisión y la velocidad de análisis, (ii) la genericidad que permite ejecutar un analizador en un software genérico de etiquetado secuencial y (iii) la conectividad que permite utilizar el árbol de análisis completo como características para las tareas posteriores. El pilar del análisis sintáctico de dependencias como etiquetado secuencial son las codificaciones que sirven como métodos de linealización para transformar los árboles de dependencias en etiquetas discretas, de forma que cada token de una frase se asocia con una etiqueta. Introducimos tres familias de codificación que comprenden: (i) selección de núcleos, (ii) codificaciones basadas en corchetes y (iii) codificaciones basadas en transiciones que se diferencian por la forma en que representan un árbol de dependencias como una secuencia de etiquetas. Examinamos empíricamente la viabilidad de las codificaciones y ofrecemos un análisis de sus facetas. Además, exploramos la viabilidad de aprovechar datos complementarios externos para mejorar el rendimiento del análisis sintáctico. Dotamos a nuestro analizador sintáctico de dos tipos de representaciones. En primer lugar, explotamos la naturaleza complementaria de los paradigmas de análisis sintáctico de dependencias y constituyentes, enriqueciendo el analizador sintáctico con representaciones de ambas abstracciones sintácticas. En segundo lugar, utilizamos datos de procesamiento del lenguaje humano para guiar nuestro analizador con representaciones de los movimientos oculares. En general, los resultados muestran que la reformulación del análisis sintáctico de dependencias como etiquetado de secuencias es un enfoque viable, rápido y preciso, y ofrece una alternativa práctica para integrar la sintaxis en las tareas de PLN.[Resumo] Esta tese presenta novos métodos para reformular a análise sintáctica de dependencias como unha tarefa de etiquetaxe secuencial, o que supón unha alternativa viable aos enfoques tradicionais baseados en transicións e grafos. Demóstrase que os analizadores de etiquetaxe secuencial ofrecen varias vantaxes para a análise sintáctica de dependencias, por exemplo (i) un bo equilibrio entre a precisión e a velocidade de análise, (ii) a xenericidade que permite executar un analizador nun software xenérico de etiquetaxe secuencial e (iii) a conectividade que permite empregar a árbore de análise completa como características para as tarefas posteriores. O piar da análise sintáctica de dependencias como etiquetaxe secuencial son as codificacións que serven como métodos de linealización para transformar as árbores de dependencias en etiquetas discretas, de forma que cada token dunha frase se asocia cunha etiqueta. Introducimos tres familias de codificación que comprenden: (i) selección de núcleos, (ii) codificacións baseadas en corchetes e (iii) codificacións baseadas en transicións que se diferencian pola forma en que representan unha árbore de dependencia como unha secuencia de etiquetas. Examinamos empíricamente a viabilidade das codificacións e ofrecemos unha análise das súas facetas. Ademais, exploramos a viabilidade de aproveitar datos complementarios externos para mellorar o rendemento da análise sintáctica. O noso analizador sintáctico de etiquetaxe secuencial está dotado de dous tipos de representacións. En primeiro lugar, explotamos a natureza complementaria dos paradigmas de análise sintáctica de dependencias e constituíntes e enriquecemos o analizador sintáctico con representacións de ambas abstraccións sintácticas. En segundo lugar, empregamos datos de procesamento da linguaxe humana para guiar o noso analizador con representacións dos movementos oculares. En xeral, os resultados mostran que a reformulación da análise sintáctico de dependencias como etiquetaxe de secuencias é un enfoque viable, rápido e preciso, e ofrece unha alternativa práctica para integrar a sintaxe nas tarefas de PLN.This work has been carried out thanks to the funding from the European Research Council (ERC), under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (FASTPARSE, grant agreement No 714150)

Vision for Scene Understanding

This manuscript covers my recent research on vision algorithms for scene understanding, articulated in 3 research axes: 3D Vision, Weakly supervised vision, and Vision and physics. At the core of the most recent works is weakly-supervised learning and physics-embodied vision, which address short comings of supervised learning that requires large amount of data. The use of more physically grounded algorithms appears evidently beneficial as both robots and humans naturally evolve in a 3D physical world. On the other hand, accounting for physics knowledge reflects important cue about lighting and weather conditions of the scene central in my work. Physics-informed machine learning is not only beneficial for increased interpretability but also to compensate labels and data scarcity

Tracking the Temporal-Evolution of Supernova Bubbles in Numerical Simulations

The study of low-dimensional, noisy manifolds embedded in a higher dimensional space has been extremely useful in many applications, from the chemical analysis of multi-phase flows to simulations of galactic mergers. Building a probabilistic model of the manifolds has helped in describing their essential properties and how they vary in space. However, when the manifold is evolving through time, a joint spatio-temporal modelling is needed, in order to fully comprehend its nature. We propose a first-order Markovian process that propagates the spatial probabilistic model of a manifold at fixed time, to its adjacent temporal stages. The proposed methodology is demonstrated using a particle simulation of an interacting dwarf galaxy to describe the evolution of a cavity generated by a Supernov