An entropy-histogram approach for image similarity and face recognition

Image similarity and image recognition are modern and rapidly growing technologies because of their wide use in the field of digital image processing. It is possible to recognize the face image of a specific person by finding the similarity between the images of the same person face and this is what we will address in detail in this paper. In this paper, we designed two new measures for image similarity and image recognition simultaneously. The proposed measures are based mainly on a combination of information theory and joint histogram. Information theory has a high capability to predict the relationship between image intensity values. The joint histogram is based mainly on selecting a set of local pixel features to construct a multidimensional histogram. The proposed approach incorporates the concepts of entropy and a modified 1D version of the 2D joint histogram of the two images under test. Two entropy measures were considered, Shannon and Renyi, giving a rise to two joint histogram-based, information-theoretic similarity measures: SHS and RSM. The proposed methods have been tested against powerful Zernike-moments approach with Euclidean and Minkowski distance metrics for image recognition and well-known statistical approaches for image similarity such as structural similarity index measure (SSIM), feature similarity index measure (FSIM) and feature-based structural measure (FSM). A comparison with a recent information-theoretic measure (ISSIM) has also been considered. A measure of recognition confidence is introduced in this work based on similarity distance between the best match and the second-best match in the face database during the face recognition process. Simulation results using AT&T and FEI face databases show that the proposed approaches outperform existing image recognition methods in terms of recognition confidence. TID2008 and IVC image databases show that SHS and RSM outperform existing similarity methods in terms of similarity confidence

Novel machine learning methods based on information theory

[Resumo] A aprendizaxe automática é a área da intelixencia artificial e da ciencia da computación que estuda algoritmos que aprenden a partir de datos, fan prediccións e producen comportamentos baseados en exemplos. Esta tesis desenvolve novos métodos de aprendiza.xe automática baseados en teoría da información [TI) e en information Iheoretic learning (ITL): (1) En primeiro lugar, utilizase TI para selección de características. Específicamente, se desenvolveo dous novos algoritmos. O primeiro ten en conta o coste (computacional. económico, etc.) de cada caracteristica -ademais da relevancia-. O segundo fai uso do concepto de enremble. moi comÚD en escenarios de clasificación, pero moi poueo explorado na literatura de selección de características. (2) En segundo lugar. se poden empregar conceptos de TI e ITL como unha función de erro alternativa. o cal permite a exploración doutro campo da literatura non moi estudado: a aproximación de modelado local. Específicamente, desenvólvese un novo algoritmo para clasificación. Este algoritmo está baseado na combinación de redes de neuronas por medio de modelado local e técnicas baseadas en ITL.[Resumen] El aprendizaje automático es el área de la inteligencia artificial y la ciencia de la computación que estudia los algoritmos que aprenden a partir de datos, realizan predicciones y producen comportamientos basados en ejemplos. Esta tesis desarrolla nuevos métodos de aprendizaje automático basados en teoría de la información (TI) y en information theoretic learning (ITL): (1) En primer lugar, se utiliza TI para selección de características. Específicamente, se desarrollan dos nuevos algoritmos. El primero tiene en cuenta el coste (computacional, económico, etc.) de cada característica -además de la relevancia-. El segundo hace uso del concepto de ensemble, muy común en escenarios de clasificación, pero muy poco explorado en la literatura de selección de características. (2) En segundo lugar. se pueden emplear conceptos de TI e ITL como una función de error alternativa, lo cual permite la exploración de otro campo de la literatura no muy estudiado: la aproximación de modelado local. Especificamente, se desarrolla un nuevo algoritmo para clasificación. Este algoritmo está basado en la combinación de redes de neuronas por medio de modelado local y técnicas basadas en ITL.[Abstract] Machine learning is the area of artificial intelligence and computer science that studies algorithms that can learn from data, make predictions, and produce behaviors based on examples. This thesis develops new methods of machine learning based on infonnation theory (IT) and information tbeoretic leaming (ITL): (1) On the one band, IT is used for feature selection. Specifically, two new algorithms are developed. The first one takes into account the cost (computational, economic, etc.) of each feature -besides its relevance-. Tbe second one makes use of the concept of ensemble, quite common for c1assification scenarios, but very little explored in the literature of feature selection. (2) 0n the other band, IT and ITL concepts can be employed as an altemative crror function, thus allowing the exploration of another not very well studied field in the literature: {he local modeling approach. Specifically, a new algorithm for classification is developed. This algorithm is based on the combination of neural networks by means of local modeling and techniques based on ITL

Bayesian and echoic log-surprise for auditory saliency detection

Mención Internacional en el título de doctorAttention is defined as the mechanism that allows the brain to categorize and prioritize information acquired using our senses and act according to the environmental context and the available mental resources. The attention mechanism can be further subdivided into two types: top-down and bottomup. Top-down attention is goal or task-driven and implies that a participant has some previous knowledge about the task that he or she is trying to solve. Alternatively, bottom-up attention only depends on the perceived features of the target object and its surroundings and is a very fast mechanism that is believed to be crucial for human survival. Bottom-up attention is commonly known as saliency or salience, and can be defined as a property of the signals that are perceived by our senses that make them attentionally prominent for some reason. This thesis is related with the concept of saliency detection using automatic algorithms for audio signals. In recent years progress in the area of visual saliency research has been remarkable, a topic where the goal consists of detecting which objects or content from a visual scene are prominent enough to capture the attention of a spectator. However, this progress has not been carried out to other alternative modalities. This is the case of auditory saliency, where there is still no consensus about how to measure the saliency of an event, and consequently there are no specific labeled datasets to compare new algorithms and proposals. In this work two new auditory saliency detection algorithms are presented and evaluated. For their evaluation, we make use of Acoustic Event Detection/Classification datasets, whose labels include onset times among other aspects. We use such datasets and labeling since there is psychological evidence suggesting that human beings are quite sensitive to the spontaneous appearance of acoustic objects. We use three datasets: DCASE 2016 (Task 2), MIVIA road audio events and UPC-TALP, totalling 3400 labeled acoustic events. Regarding the algorithms that we employ for benchmarking, these comprise techniques for saliency detection designed by Kayser and Kalinli, a voice activity detector, an energy thresholding method and four music information retrieval onset detectors: NWPD, WPD, CD and SF. We put forward two auditory saliency algorithms: Bayesian Log-surprise and Echoic Log-surprise. The former is an evolution of Bayesian Surprise, a methodology that by means of the Kullback-Leibler divergence computed between two consecutive temporal windows is capable of detecting anomalous or salient events. As the output Surprise signal has some drawbacks that should be overcome, we introduce some improvements that led to the approach that we named Bayesian Log-surprise. These include an amplitude compression stage and the addition of perceptual knowledge to pre-process the input signal. The latter, named Echoic Log-surprise, fuses several Bayesian Log-surprise signals computed considering different memory lengths that represent different temporal scales. The fusion process is performed using statistical divergences, resulting in saliency signals with certain advantages such as a significant reduction in the background noise level and a noticeable increase in the detection scores. Moreover, since the original Echoic Log-surprise presents certain limitations, we propose a set of improvements: we test some alternative statistical divergences, we introduce a new fusion strategy and we change the thresholding mechanism used to determine if the final output signal is salient or not for a dynamic thresholding algorithm. Results show that the most significant modification in terms of performance is the latter, a proposal that reduces the dispersion observed in the scores produced by the system and enables online functioning. Finally, our last analysis concerns the robustness of all the algorithms presented in this thesis against environmental noise. We use noises of different natures, from stationary noise to pre-recorded noises acquired in real environments such as cafeterias, train stations, etc. The results suggest that for different signal-to-noise ratios the most robust algorithm is Echoic Log-surprise, since its detection capabilities are the least influenced by noise.La atención es definida como el mecanismo que permite a nuestro cerebro categorizar y priorizar la información percibida mediante nuestros sentidos, a la par que ayuda a actuar en función del contexto y los recursos mentales disponibles. Este mecanismo puede dividirse en dos variantes: top-down y bottom-up. La atención top-down posee un objetivo que el sujeto pretende cumplir, e implica que el individuo posee cierto conocimiento previo sobre la tarea que trata de realizar. Por otra parte, la atención bottom-up depende exclusivamente de las características físicas percibidas a partir de un objeto y su entorno, y actúa a partir de dicha información de forma autónoma y rápida. Se teoriza que dicho mecanismo es crucial para la supervivencia de los individuos frente a amenazas repentinas. La atención bottom-up es comúnmente denominada saliencia, y es definida como una propiedad de las señales que son percibidas por nuestros sentidos y que por algún motivo destacan sobre el resto de información adquirida. Esta tesis está relacionada con la detección automática de la saliencia en señales acústicas mediante la utilización de algoritmos. En los últimos años el avance en la investigación de la saliencia visual ha sido notable, un tema en el cual la principal meta consiste en detectar qué objetos o contenido de una escena visual son lo bastante prominentes para captar la atención de un espectador. Sin embargo, estos avances no han sido trasladados a otras modalidades. Tal es el caso de la saliencia auditiva, donde aún no existe consenso sobre cómo medir la prominencia de un evento acústico, y en consecuencia no existen bases de datos especializadas que permitan comparar nuevos algoritmos y modelos. En este trabajo evaluamos algunos algoritmos de detección de saliencia auditiva. Para ello, empleamos bases de datos para la detección y clasificación de eventos acústicos, cuyas etiquetas incluyen el tiempo de inicio (onset) de dichos eventos entre otras características. Nuestra hipótesis se basa en estudios psicológicos que sugieren que los seres humanos somos muy sensibles a la aparición de objetos acústicos. Empleamos tres bases de datos: DCASE 2016 (Task 2), MIVIA road audio events y UPC-TALP, las cuales suman en total 3400 eventos etiquetados. Respecto a los algoritmos utilizados en nuestro sistema de referencia (benchmark), incluimos los algoritmos de saliencia diseñados por Kayser y Kalinli, un detector de actividad vocal (VAD), un umbralizador energético y cuatro técnicas para la detección de onsets en música: NWPD, WPD, CD and SF. Presentamos dos algoritmos de saliencia auditiva: Bayesian Log-surprise y Echoic Log-surprise. El primero es una evolución de Bayesian Surprise, una metodología que utiliza la divergencia de Kullback-Leibler para detectar eventos salientes o anomalías entre ventanas consecutivas de tiempo. Dado que la señal producida por Bayesian Surprise posee ciertos inconvenientes introducimos una serie de mejoras, entre las que destacan una etapa de compresión de la amplitud de la señal de salida y el pre-procesado de la señal de entrada mediante la utilización de conocimiento perceptual. Denominamos a esta metodología Bayesian Log-surprise. Nuestro segundo algoritmo, denominado Echoic Log-surprise, combina la información de múltiples señales de saliencia producidas mediante Bayesian Log-surprise considerando distintas escalas temporales. El proceso de fusión se realiza mediante la utilización de divergencias estadísticas, y las señales de salida poseen un nivel de ruido menor a la par que un mayor rendimiento a la hora de detectar eventos salientes. Además, proponemos una serie de mejoras para Echoic Log-surprise dado que observamos que presentaba ciertas limitaciones: añadimos nuevas divergencias estadísticas al sistema para realizar la fusión, diseñamos una nueva estrategia para llevar a cabo dicho proceso y modificamos el sistema de umbralizado que originalmente se utilizaba para determinar si un fragmento de señal era saliente o no. Inicialmente dicho mecanismo era estático, y proponemos actualizarlo de tal forma se comporte de forma dinámica. Esta última demuestra ser la mejora más significativa en términos de rendimiento, ya que reduce la dispersión observada en las puntuaciones de evaluación entre distintos ficheros de audio, a la par que permite que el algoritmo funcione online. El último análisis que proponemos pretende estudiar la robustez de los algoritmos mencionados en esta tesis frente a ruido ambiental. Empleamos ruido de diversa índole, desde ruido blanco estacionario hasta señales pregrabadas en entornos reales tales y como cafeterías, estaciones de tren, etc. Los resultados sugieren que para distintos valores de relación señal/ruido el algoritmo más robusto es Echoic Log-surprise, dado que sus capacidades de detección son las menos afectadas por el ruido.Programa de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan CarlosPresidente: Fernando Díaz de María.- Secretario: Rubén Solera Ureña.- Vocal: José Luis Pérez Córdob

30th International Conference on Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management (COMADEM 2017)

Proceedings of COMADEM 201

EmoEEG - recognising people's emotions using electroencephalography

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020As emoções desempenham um papel fulcral na vida humana, estando envolvidas numa extensa variedade de processos cognitivos, tais como tomada de decisão, perceção, interações sociais e inteligência. As interfaces cérebro-máquina (ICM) são sistemas que convertem os padrões de atividade cerebral de um utilizador em mensagens ou comandos para uma determinada aplicação. Os usos mais comuns desta tecnologia permitem que pessoas com deficiência motora controlem braços mecânicos, cadeiras de rodas ou escrevam. Contudo, também é possível utilizar tecnologias ICM para gerar output sem qualquer controle voluntário. A identificação de estados emocionais é um exemplo desse tipo de feedback. Por sua vez, esta tecnologia pode ter aplicações clínicas tais como a identificação e monitorização de patologias psicológicas, ou aplicações multimédia que facilitem o acesso a músicas ou filmes de acordo com o seu conteúdo afetivo. O interesse crescente em estabelecer interações emocionais entre máquinas e pessoas, levou à necessidade de encontrar métodos fidedignos de reconhecimento emocional automático. Os autorrelatos podem não ser confiáveis devido à natureza subjetiva das próprias emoções, mas também porque os participantes podem responder de acordo com o que acreditam que os outros responderiam. A fala emocional é uma maneira eficaz de deduzir o estado emocional de uma pessoa, pois muitas características da fala são independentes da semântica ou da cultura. No entanto, a precisão ainda é insuficiente quando comparada com outros métodos, como a análise de expressões faciais ou sinais fisiológicos. Embora o primeiro já tenha sido usado para identificar emoções com sucesso, ele apresenta desvantagens, tais como o fato de muitas expressões faciais serem "forçadas" e o fato de que as leituras só são possíveis quando o rosto do sujeito está dentro de um ângulo muito específico em relação à câmara. Por estes motivos, a recolha de sinais fisiológicos tem sido o método preferencial para o reconhecimento de emoções. O uso do EEG (eletroencefalograma) permite-nos monitorizar as emoções sentidas sob a forma de impulsos elétricos provenientes do cérebro, permitindo assim obter uma ICM para o reconhecimento afetivo. O principal objetivo deste trabalho foi estudar a combinação de diferentes elementos para identificar estados afetivos, estimando valores de valência e ativação usando sinais de EEG. A análise realizada consistiu na criação de vários modelos de regressão para avaliar como diferentes elementos afetam a precisão na estimativa de valência e ativação. Os referidos elementos foram os métodos de aprendizagem automática, o género do indivíduo, o conceito de assimetria cerebral, os canais de elétrodos utilizados, os algoritmos de extração de características e as bandas de frequências analisadas. Com esta análise foi possível criarmos o melhor modelo possível, com a combinação de elementos que maximiza a sua precisão. Para alcançar os nossos objetivos, recorremos a duas bases de dados (AMIGOS e DEAP) contendo sinais de EEG obtidos durante experiências de desencadeamento emocional, juntamente com a autoavaliação realizada pelos respetivos participantes. Nestas experiências, os participantes visionaram excertos de vídeos de conteúdo afetivo, de modo a despoletar emoções sobre eles, e depois classificaram-nas atribuindo o nível de valência e ativação experienciado. Os sinais EEG obtidos foram divididos em epochs de 4s e de seguida procedeu-se à extração de características através de diferentes algoritmos: o primeiro, segundo e terceiro parâmetros de Hjorth; entropia espectral; energia e entropia de wavelets; energia e entropia de FMI (funções de modos empíricos) obtidas através da transformada de Hilbert-Huang. Estes métodos de processamento de sinal foram escolhidos por já terem gerado resultados bons noutros trabalhos relacionados. Todos estes métodos foram aplicados aos sinais EEG dentro das bandas de frequência alfa, beta e gama, que também produziram bons resultados de acordo com trabalhos já efetuados. Após a extração de características dos sinais EEG, procedeu-se à criação de diversos modelos de estimação da valência e ativação usando as autoavaliações dos participantes como “verdade fundamental”. O primeiro conjunto de modelos criados serviu para aferir quais os melhores métodos de aprendizagem automática a utilizar para os testes vindouros. Após escolher os dois melhores, tentámos verificar as diferenças no processamento emocional entre os sexos, realizando a estimativa em homens e mulheres separadamente. O conjunto de modelos criados a seguir visou testar o conceito da assimetria cerebral, que afirma que a valência emocional está relacionada com diferenças na atividade fisiológica entre os dois hemisférios cerebrais. Para este teste específico, foram consideradas a assimetria diferencial e racional segundo pares de elétrodos homólogos. Depois disso, foram criados modelos de estimação de valência e ativação considerando cada um dos elétrodos individualmente. Ou seja, os modelos seriam gerados com todos os métodos de extração de características, mas com os dados obtidos de um elétrodo apenas. Depois foram criados modelos que visassem comparar cada um dos algoritmos de extração de características utilizados. Os modelos gerados nesta fase incluíram os dados obtidos de todos os elétrodos, já que anteriormente se verificou que não haviam elétrodos significativamente melhores que outros. Por fim, procedeu-se à criação dos modelos com a melhor combinação de elementos possível, otimizaram-se os parâmetros dos mesmos, e procurámos também aferir a sua validação. Realizámos também um processo de classificação emocional associando cada par estimado de valores de valência e ativação ao quadrante correspondente no modelo circumplexo de afeto. Este último passo foi necessário para conseguirmos comparar o nosso trabalho com as soluções existentes, pois a grande maioria delas apenas identificam o quadrante emocional, não estimando valores para a valência e ativação. Em suma, os melhores métodos de aprendizagem automática foram RF (random forest) e KNN (k-nearest neighbours), embora a combinação dos melhores métodos de extração de características fosse diferente para os dois. KNN apresentava melhor precisão considerando todos os métodos de extração menos a entropia espectral, enquanto que RF foi mais preciso considerando apenas o primeiro parâmetro de Hjorth e a energia de wavelets. Os valores dos coeficientes de Pearson obtidos para os melhores modelos otimizados ficaram compreendidos entre 0,8 e 0,9 (sendo 1 o valor máximo). Não foram registados melhoramentos nos resultados considerando cada género individualmente, pelo que os modelos finais foram criados usando os dados de todos os participantes. É possível que a diminuição da precisão dos modelos criados para cada género seja resultado da menor quantidade de dados envolvidos no processo de treino. O conceito de assimetria cerebral só foi útil nos modelos criados usando a base de dados DEAP, especialmente para a estimação de valência usando as características extraídas segundo a banda alfa. Em geral, as nossas abordagens mostraram-se a par ou mesmo superiores a outros trabalhos, obtendo-se valores de acurácia de 86.5% para o melhor modelo de classificação gerado com a base de dados AMIGOS e 86.6% usando a base de dados DEAP.Emotion recognition is a field within affective computing that is gaining increasing relevance and strives to predict an emotional state using physiological signals. Understanding how these biological factors are expressed according to one’s emotions can enhance the humancomputer interaction (HCI). This knowledge, can then be used for clinical applications such as the identification and monitoring of psychiatric disorders. It can also be used to provide better access to multimedia content, by assigning affective tags to videos or music. The goal of this work was to create several models for estimating values of valence and arousal, using features extracted from EEG signals. The different models created were meant to compare how various elements affected the accuracy of the model created. These elements were the machine learning techniques, the gender of the individual, the brain asymmetry concept, the electrode channels, the feature extraction methods and the frequency of the brain waves analysed. The final models contained the best combination of these elements and achieved PCC values over 0.80. As a way to compare our work with previous approaches, we also implemented a classification procedure to find the correspondent quadrant in the valence and arousal space according to the circumplex model of affect. The best accuracies achieved were over 86%, which was on par or even superior to some of the works already done

Deep Learning Detected Nutrient Deficiency in Chili Plant

Chili is a staple commodity that also affects the Indonesian economy due to high market demand. Proven in June 2019, chili is a contributor to Indonesia's inflation of 0.20% from 0.55%. One factor is crop failure due to malnutrition. In this study, the aim is to explore Deep Learning Technology in agriculture to help farmers be able to diagnose their plants, so that their plants are not malnourished. Using the RCNN algorithm as the architecture of this system. Use 270 datasets in 4 categories. The dataset used is primary data with chili samples in Boyolali Regency, Indonesia. The chili we use are curly chili. The results of this study are computers that can recognize nutrient deficiencies in chili plants based on image input received with the greatest testing accuracy of 82.61% and has the best mAP value of 15.57%