Wisdom of the Contexts: Active Ensemble Learning for Contextual Anomaly Detection

In contextual anomaly detection (CAD), an object is only considered anomalous within a specific context. Most existing methods for CAD use a single context based on a set of user-specified contextual features. However, identifying the right context can be very challenging in practice, especially in datasets, with a large number of attributes. Furthermore, in real-world systems, there might be multiple anomalies that occur in different contexts and, therefore, require a combination of several "useful" contexts to unveil them. In this work, we leverage active learning and ensembles to effectively detect complex contextual anomalies in situations where the true contextual and behavioral attributes are unknown. We propose a novel approach, called WisCon (Wisdom of the Contexts), that automatically creates contexts from the feature set. Our method constructs an ensemble of multiple contexts, with varying importance scores, based on the assumption that not all useful contexts are equally so. Experiments show that WisCon significantly outperforms existing baselines in different categories (i.e., active classifiers, unsupervised contextual and non-contextual anomaly detectors, and supervised classifiers) on seven datasets. Furthermore, the results support our initial hypothesis that there is no single perfect context that successfully uncovers all kinds of contextual anomalies, and leveraging the "wisdom" of multiple contexts is necessary.Comment: Submitted to IEEE TKD

sEMG-based hand gesture recognition with deep learning

Hand gesture recognition based on surface electromyographic (sEMG) signals is a promising approach for the development of Human-Machine Interfaces (HMIs) with a natural control, such as intuitive robot interfaces or poly-articulated prostheses. However, real-world applications are limited by reliability problems due to motion artifacts, postural and temporal variability, and sensor re-positioning. This master thesis is the first application of deep learning on the Unibo-INAIL dataset, the first public sEMG dataset exploring the variability between subjects, sessions and arm postures, by collecting data over 8 sessions of each of 7 able-bodied subjects executing 6 hand gestures in 4 arm postures. In the most recent studies, the variability is addressed with training strategies based on training set composition, which improve inter-posture and inter-day generalization of classical (i.e. non-deep) machine learning classifiers, among which the RBF-kernel SVM yields the highest accuracy. The deep architecture realized in this work is a 1d-CNN implemented in Pytorch, inspired by a 2d-CNN reported to perform well on other public benchmark databases. On this 1d-CNN, various training strategies based on training set composition were implemented and tested. Multi-session training proves to yield higher inter-session validation accuracies than single-session training. Two-posture training proves to be the best postural training (proving the benefit of training on more than one posture), and yields 81.2% inter-posture test accuracy. Five-day training proves to be the best multi-day training, and yields 75.9% inter-day test accuracy. All results are close to the baseline. Moreover, the results of multi-day trainings highlight the phenomenon of user adaptation, indicating that training should also prioritize recent data. Though not better than the baseline, the achieved classification accuracies rightfully place the 1d-CNN among the candidates for further research

An analysis of the relevance of temporal information in time series classification

In recent years, the interest in time series has increased considerably due to the vast amount of such data collected in a variety of fields. Time series are a particular type of data: they are sets of ordered observations. The analysis of databases composed of time series requires the consideration of the nature of the instances, where there exist a temporal correlation among the observations. A considerable variety of algorithms that take heed of such characteristic of the instances have been developed to represent, index, cluster and classify time series. Particularly, this work focuses on the classification task. Firstly, a review is performed about the specific time series classifiers, to give an insight of their workflow as well as how they capture the temporal information. The different procedures of those classifiers endow them with different abilities to catch the intrinsic temporal information of the instances for classification. Moreover, this work carries out an experiment based on empirical distributions to estimate the sensitivity of specific time series classifiers to the temporal order of the observations. Besides, although in general specific classifiers have been used to classify time series, in some time series classification problems, non-specific classification algorithms have shown to be competitive with the specific ones. Thus the relevance of the temporal order for classification varies for different time series classification problems. The present work aims to develop an analysis based on empirical distributions for estimating the relevance of the temporal ordering in a given time series classification problem, as well as studying the sensitivity of the specific time series classifiers to the temporal correlation of the observations. Englis

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.Ésta tesis tiene dos aspectos fundamentales, por un lado, la propuesta denuevas arquitecturas de clasificadores y, por otro, su aplicación a el análisis deimagen.Desde el punto de vista de proponer nuevas arquitecturas de clasificaciónla tesis tiene dos contribucciones principales. En primer lugar la propuestade un innovador ensemble de clasificadores basado en arquitecturas aleatorias,como pueden ser las Extreme Learning Machines (ELM), Random Forest (RF) yRotation Forest, llamado Hybrid Extreme Rotation Forest (HERF) y su mejoraAnticipative HERF (AHERF) que conlleva una selección del modelo basada enel rendimiento de predicción para cada conjunto de datos específico. Ademásde lo anterior, proveemos una prueba formal tanto del AHERF, como de laconvergencia de los ensembles de regresores ELMs que mejoran la usabilidad yreproducibilidad de los resultados.En la vertiente de aplicación hemos estado trabajando con dos tipos de imágenes:imágenes hiperespectrales de remote sensing, e imágenes médicas tanto depatologías específicas de venas de sangre como de imágenes para el diagnósticode Alzheimer. En todos los casos los ensembles de clasificadores han sido la herramientacomún además de estrategias especificas de aprendizaje activo basadasen dichos ensembles de clasificadores. En el caso concreto de la segmentaciónde vasos sanguíneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografíacomputerizada y el otro la segmentación de venas sangineas en la retina. Losresultados en ambos casos en términos de rendimiento en clasificación y ahorrode tiempo en la segmentación humana nos permiten recomendar esos enfoquespara la práctica clínica.Chapter 1Background y contribuccionesDado el espacio limitado para realizar el resumen de la tesis hemos decididoincluir un resumen general con los puntos más importantes, una pequeña introducciónque pudiera servir como background para entender los conceptos básicosde cada uno de los temas que hemos tocado y un listado con las contribuccionesmás importantes.1.1 Ensembles de clasificadoresLa idea de los ensembles de clasificadores fue propuesta por Hansen y Salamon[4] en el contexto del aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Sutrabajo mostró que un ensemble de redes neuronales con un esquema de consensogrupal podía mejorar el resultado obtenido con una única red neuronal.Los ensembles de clasificadores buscan obtener unos resultados de clasificaciónmejores combinando clasificadores débiles y diversos [8, 9]. La propuesta inicialde ensemble contenía una colección homogena de clasificadores individuales. ElRandom Forest es un claro ejemplo de ello, puesto que combina la salida de unacolección de árboles de decisión realizando una votación por mayoría [2, 3], yse construye utilizando una técnica de remuestreo sobre el conjunto de datos ycon selección aleatoria de variables.2CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 31.2 Aprendizaje activoLa construcción de un clasificador supervisado consiste en el aprendizaje de unaasignación de funciones de datos en un conjunto de clases dado un conjunto deentrenamiento etiquetado. En muchas situaciones de la vida real la obtenciónde las etiquetas del conjunto de entrenamiento es costosa, lenta y propensa aerrores. Esto hace que la construcción del conjunto de entrenamiento sea unatarea engorrosa y requiera un análisis manual exaustivo de la imagen. Esto se realizanormalmente mediante una inspección visual de las imágenes y realizandoun etiquetado píxel a píxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los píxeles ruidosos pueden interferir en las estadísticas de cadaclase lo que puede dar lugar a errores de clasificación y/o overfitting. Por tantoes deseable que un conjunto de entrenamiento sea construido de una manera inteligente,lo que significa que debe representar correctamente los límites de clasemediante el muestreo de píxeles discriminantes. La generalización es la habilidadde etiquetar correctamente datos que no se han visto previamente y quepor tanto son nuevos para el modelo. El aprendizaje activo intenta aprovecharla interacción con un usuario para proporcionar las etiquetas de las muestrasdel conjunto de entrenamiento con el objetivo de obtener la clasificación másprecisa utilizando el conjunto de entrenamiento más pequeño posible.1.3 AlzheimerLa enfermedad de Alzheimer es una de las causas más importantes de discapacidaden personas mayores. Dado el envejecimiento poblacional que es una realidaden muchos países, con el aumento de la esperanza de vida y con el aumentodel número de personas mayores, el número de pacientes con demencia aumentarátambién. Debido a la importancia socioeconómica de la enfermedad enlos países occidentales existe un fuerte esfuerzo internacional focalizado en laenfermedad del Alzheimer. En las etapas tempranas de la enfermedad la atrofiacerebral suele ser sutil y está espacialmente distribuida por diferentes regionescerebrales que incluyen la corteza entorrinal, el hipocampo, las estructuras temporaleslateral e inferior, así como el cíngulo anterior y posterior. Son muchoslos esfuerzos de diseño de algoritmos computacionales tratando de encontrarbiomarcadores de imagen que puedan ser utilizados para el diagnóstico no invasivodel Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 41.4 Segmentación de vasos sanguíneosLa segmentación de los vasos sanguíneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clínica de las enfermedades vasculares.Consiste en particionar un angiograma en dos regiones que no se superponen:la región vasculares y el fondo. Basándonos en los resultados de dicha particiónse pueden extraer, modelar, manipular, medir y visualizar las superficies vasculares.Éstas estructuras son muy útiles y juegan un rol muy imporntate en lostratamientos endovasculares de las enfermedades vasculares. Las enfermedadesvasculares son una de las principales fuentes de morbilidad y mortalidad en todoel mundo.Aneurisma de Aorta Abdominal El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA)es una dilatación local de la Aorta que ocurre entre las arterias renal e ilíaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormínimo de la aorta alcanza los 3 centímetros [5]. La mayoría delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los síntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales características clínicas que sugiereno bien la reciente expansión o fugas. Las complicaciones son a menudo cuestiónde vida o muerte y pueden ocurrir en un corto espacio de tiempo. Por lo tanto,el reto consiste en diagnosticar lo antes posible la aparición de los síntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patología vascular y no vascular. Dicha inspecciónpuede revelar hipertensión, diabetes, arteriosclerosis, enfermedades cardiovascularese ictus. Los principales retos para la segmentación de vasos retinianos son:(1) la presencia de lesiones que se pueden interpretar de forma errónea comovasos sanguíneos; (2) bajo contraste alrededor de los vasos más delgados, (3)múltiples escalas de tamaño de los vasos.1.5 ContribucionesÉsta tesis tiene dos tipos de contribuciones. Contribuciones computacionales ycontribuciones orientadas a una aplicación o prácticas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 5Desde un punto de vista computacional las contribuciones han sido las siguientes:¿ Un nuevo esquema de aprendizaje activo usando Random Forest y el cálculode la incertidumbre que permite una segmentación de imágenes rápida,precisa e interactiva.¿ Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Adaptative Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales.¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.Desde un punto de vista práctico:¿ Imágenes médicas¿ Aprendizaje activo combinado con HERF para la segmentación deimágenes de tomografía computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografíacomputerizada con información de dominio.¿ Aprendizaje activo con el clasificador bootstrapped dendritic aplicadoa segmentación de imágenes médicas.¿ Meta-ensembles de clasificadores para detección de Alzheimer conimágenes de resonancia magnética.¿ Random Forest combinado con aprendizaje activo para segmentaciónde imágenes de retina.¿ Segmentación automática de grasa subcutanea y visceral utilizandoresonancia magnética.¿ Imágenes hiperespectrales¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales concorrección espacial usando AHERF.¿ Método semisupervisado de clasificación utilizando ensembles de ELMsy con regularización espacial

Advances in Monocular Exemplar-based Human Body Pose Analysis: Modeling, Detection and Tracking

Esta tesis contribuye en el análisis de la postura del cuerpo humano a partir de secuencias de imágenes adquiridas con una sola cámara. Esta temática presenta un amplio rango de potenciales aplicaciones en video-vigilancia, video-juegos o aplicaciones biomédicas. Las técnicas basadas en patrones han tenido éxito, sin embargo, su precisión depende de la similitud del punto de vista de la cámara y de las propiedades de la escena entre las imágenes de entrenamiento y las de prueba. Teniendo en cuenta un conjunto de datos de entrenamiento capturado mediante un número reducido de cámaras fijas, paralelas al suelo, se han identificado y analizado tres escenarios posibles con creciente nivel de dificultad: 1) una cámara estática paralela al suelo, 2) una cámara de vigilancia fija con un ángulo de visión considerablemente diferente, y 3) una secuencia de video capturada con una cámara en movimiento o simplemente una sola imagen estática