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

Thirty Years of Machine Learning: The Road to Pareto-Optimal Wireless Networks

Future wireless networks have a substantial potential in terms of supporting a broad range of complex compelling applications both in military and civilian fields, where the users are able to enjoy high-rate, low-latency, low-cost and reliable information services. Achieving this ambitious goal requires new radio techniques for adaptive learning and intelligent decision making because of the complex heterogeneous nature of the network structures and wireless services. Machine learning (ML) algorithms have great success in supporting big data analytics, efficient parameter estimation and interactive decision making. Hence, in this article, we review the thirty-year history of ML by elaborating on supervised learning, unsupervised learning, reinforcement learning and deep learning. Furthermore, we investigate their employment in the compelling applications of wireless networks, including heterogeneous networks (HetNets), cognitive radios (CR), Internet of things (IoT), machine to machine networks (M2M), and so on. This article aims for assisting the readers in clarifying the motivation and methodology of the various ML algorithms, so as to invoke them for hitherto unexplored services as well as scenarios of future wireless networks.Comment: 46 pages, 22 fig

Introduction to Facial Micro Expressions Analysis Using Color and Depth Images: A Matlab Coding Approach (Second Edition, 2023)

The book attempts to introduce a gentle introduction to the field of Facial Micro Expressions Recognition (FMER) using Color and Depth images, with the aid of MATLAB programming environment. FMER is a subset of image processing and it is a multidisciplinary topic to analysis. So, it requires familiarity with other topics of Artifactual Intelligence (AI) such as machine learning, digital image processing, psychology and more. So, it is a great opportunity to write a book which covers all of these topics for beginner to professional readers in the field of AI and even without having background of AI. Our goal is to provide a standalone introduction in the field of MFER analysis in the form of theorical descriptions for readers with no background in image processing with reproducible Matlab practical examples. Also, we describe any basic definitions for FMER analysis and MATLAB library which is used in the text, that helps final reader to apply the experiments in the real-world applications. We believe that this book is suitable for students, researchers, and professionals alike, who need to develop practical skills, along with a basic understanding of the field. We expect that, after reading this book, the reader feels comfortable with different key stages such as color and depth image processing, color and depth image representation, classification, machine learning, facial micro-expressions recognition, feature extraction and dimensionality reduction. The book attempts to introduce a gentle introduction to the field of Facial Micro Expressions Recognition (FMER) using Color and Depth images, with the aid of MATLAB programming environment.Comment: This is the second edition of the boo

Resilient Bioinspired Algorithms: A Computer System Design Perspective

This preprint has not undergone peer review or any post-submission improvements or corrections. The Version of Record of this contribution is published in Cotta, C., Olague, G. (2022). Resilient Bioinspired Algorithms: A Computer System Design Perspective. In: Jiménez Laredo, J.L., Hidalgo, J.I., Babaagba, K.O. (eds) Applications of Evolutionary Computation. EvoApplications 2022. Lecture Notes in Computer Science, vol 13224. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-02462-7_39Resilience can be defined as a system's capability for returning to normal operation after having suffered a disruption. This notion is of the foremost interest in many areas, in particular engineering. We argue in this position paper that is is a crucial property for bioinspired optimization algorithms as well. Following a computer system perspective, we correlate some of the defining requirements for attaining resilient systems to issues, features, and mechanisms of these techniques. It is shown that bioinspired algorithms do not only exhibit a notorious built-in resilience, but that their plasticity also allows accommodating components that may boost it in different ways. We also provide some relevant research directions in this area.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tec

Star Formation Rates for photometric samples of galaxies using machine learning methods

Star Formation Rates or SFRs are crucial to constrain theories of galaxy formation and evolution. SFRs are usually estimated via spectroscopic observations requiring large amounts of telescope time. We explore an alternative approach based on the photometric estimation of global SFRs for large samples of galaxies, by using methods such as automatic parameter space optimisation, and supervised Machine Learning models. We demonstrate that, with such approach, accurate multi-band photometry allows to estimate reliable SFRs. We also investigate how the use of photometric rather than spectroscopic redshifts, affects the accuracy of derived global SFRs. Finally, we provide a publicly available catalogue of SFRs for more than 27 million galaxies extracted from the Sloan Digital Sky survey Data Release 7. The catalogue is available through the Vizier facility at the following link ftp://cdsarc.u-strasbg.fr/pub/cats/J/MNRAS/486/1377

Combining direct and indirect sparse data for learning generalizable turbulence models

Learning turbulence models from observation data is of significant interest in discovering a unified model for a broad range of practical flow applications. Either the direct observation of Reynolds stress or the indirect observation of velocity has been used to improve the predictive capacity of turbulence models. In this work, we propose combining the direct and indirect sparse data to train neural network-based turbulence models. The backpropagation technique and the observation augmentation approach are used to train turbulence models with different observation data in a unified ensemble-based framework. These two types of observation data can explore synergy to constrain the model training in different observation spaces, which enables learning generalizable models from very sparse data. The present method is tested in secondary flows in a square duct and separated flows over periodic hills. Both cases demonstrate that combining direct and indirect observations is able to improve the generalizability of the learned model in similar flow configurations, compared to using only indirect data. The ensemble-based method can serve as a practical tool for model learning from different types of observations due to its non-intrusive and derivative-free nature.Comment: 42 pages, 16 figure

Multidimensional Feature Engineering for Post-Translational Modification Prediction Problems

Protein sequence data has been produced at an astounding speed. This creates an opportunity to characterize these proteins for the treatment of illness. A crucial characterization of proteins is their post translational modifications (PTM). There are 20 amino acids coded by DNA after coding (translation) nearly every protein is modified at an amino acid level. We focus on three specific PTMs. First is the bonding formed between two cysteine amino acids, thus introducing a loop to the straight chain of a protein. Second, we predict which cysteines can generally be modified (oxidized). Finally, we predict which lysine amino acids are modified by the active form of Vitamin B6 (PLP/pyridoxal-5-phosphate.) Our work aims to predict the PTM\u27s from protein sequencing data. When available, we integrate other data sources to improve prediction. Data mining finds patterns in data and uses these patterns to give a confidence score to unknown PTMs. There are many steps to data mining; however, our focus is on the feature engineering step i.e. the transforming of raw data into an intelligible form for a prediction algorithm. Our primary innovation is as follows: First, we created the Local Similarity Matrix (LSM), a description of the evolutionarily relatedness of a cysteine and its neighboring amino acids. This feature is taken two at a time and template matched to other cysteine pairs. If they are similar, then we give a high probability of it sharing the same bonding state. LSM is a three step algorithm, 1) a matrix of amino acid probabilities is created for each cysteine and its neighbors from an alignment. 2) We multiply the iv square of the BLOSUM62 matrix diagonal to each of the corresponding amino acids. 3) We z-score normalize the matrix by row. Next, we innovated the Residue Adjacency Matrix (RAM) for sequential and 3-D space (integration of protein coordinate data). This matrix describes cysteine\u27s neighbors but at much greater distances than most algorithms. It is particularly effective at finding conserved residues that are further away while still remaining a compact description. More data than necessary incurs the curse of dimensionality. RAM runs in O(n) time, making it very useful for large datasets. Finally, we produced the Windowed Alignment Scoring algorithm (WAS). This is a vector of protein window alignment bit scores. The alignments are one to all. Then we apply dimensionality reduction for gains in speed and performance. WAS uses the BLAST algorithm to align sequences within a window surrounding potential PTMs, in this case PLP attached to Lysine. In the case of WAS, we tried many alignment algorithms and used the approximation that BLAST provides to reduce computational time from months to days. The performances of different alignment algorithms did not vary significantly. The applications of this work are many. It has been shown that cysteine bonding configurations play a critical role in the folding of proteins. Solving the protein folding problem will help us to find the solution to Alzheimer\u27s disease that is due to a misfolding of the amyloid-beta protein. Cysteine oxidation has been shown to play a role in oxidative stress, a situation when free radicals become too abundant in the body. Oxidative stress leads to chronic illness such as diabetes, cancer, heart disease and Parkinson\u27s. Lysine in concert with PLP catalyzes the aminotransferase reaction. Research suggests that anti-cancer drugs will potentially selectively inhibit this reaction. Others have targeted this reaction for the treatment of epilepsy and addictions