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

Unsupervised Intrusion Detection with Cross-Domain Artificial Intelligence Methods

Cybercrime is a major concern for corporations, business owners, governments and citizens, and it continues to grow in spite of increasing investments in security and fraud prevention. The main challenges in this research field are: being able to detect unknown attacks, and reducing the false positive ratio. The aim of this research work was to target both problems by leveraging four artificial intelligence techniques. The first technique is a novel unsupervised learning method based on skip-gram modeling. It was designed, developed and tested against a public dataset with popular intrusion patterns. A high accuracy and a low false positive rate were achieved without prior knowledge of attack patterns. The second technique is a novel unsupervised learning method based on topic modeling. It was applied to three related domains (network attacks, payments fraud, IoT malware traffic). A high accuracy was achieved in the three scenarios, even though the malicious activity significantly differs from one domain to the other. The third technique is a novel unsupervised learning method based on deep autoencoders, with feature selection performed by a supervised method, random forest. Obtained results showed that this technique can outperform other similar techniques. The fourth technique is based on an MLP neural network, and is applied to alert reduction in fraud prevention. This method automates manual reviews previously done by human experts, without significantly impacting accuracy

Large Area Land Cover Mapping Using Deep Neural Networks and Landsat Time-Series Observations

This dissertation focuses on analysis and implementation of deep learning methodologies in the field of remote sensing to enhance land cover classification accuracy, which has important applications in many areas of environmental planning and natural resources management. The first manuscript conducted a land cover analysis on 26 Landsat scenes in the United States by considering six classifier variants. An extensive grid search was conducted to optimize classifier parameters using only the spectral components of each pixel. Results showed no gain in using deep networks by using only spectral components over conventional classifiers, possibly due to the small reference sample size and richness of features. The effect of changing training data size, class distribution, or scene heterogeneity were also studied and we found all of them having significant effect on classifier accuracy. The second manuscript reviewed 103 research papers on the application of deep learning methodologies in remote sensing, with emphasis on per-pixel classification of mono-temporal data and utilizing spectral and spatial data dimensions. A meta-analysis quantified deep network architecture improvement over selected convolutional classifiers. The effect of network size, learning methodology, input data dimensionality and training data size were also studied, with deep models providing enhanced performance over conventional one using spectral and spatial data. The analysis found that input dataset was a major limitation and available datasets have already been utilized to their maximum capacity. The third manuscript described the steps to build the full environment for dataset generation based on Landsat time-series data using spectral, spatial, and temporal information available for each pixel. A large dataset containing one sample block from each of 84 ecoregions in the conterminous United States (CONUS) was created and then processed by a hybrid convolutional+recurrent deep network, and the network structure was optimized with thousands of simulations. The developed model achieved an overall accuracy of 98% on the test dataset. Also, the model was evaluated for its overall and per-class performance under different conditions, including individual blocks, individual or combined Landsat sensors, and different sequence lengths. The analysis found that although the deep model performance per each block is superior to other candidates, the per block performance still varies considerably from block to block. This suggests extending the work by model fine-tuning for local areas. The analysis also found that including more time stamps or combining different Landsat sensor observations in the model input significantly enhances the model performance

Predictive Analytics and Software Defect Severity: A Systematic Review and Future Directions

Software testing identifies defects in software products with varying multiplying effects based on their severity levels and sequel to instant rectifications, hence the rate of a research study in the software engineering domain. In this paper, a systematic literature review (SLR) on machine learning-based software defect severity prediction was conducted in the last decade. The SLR was aimed at detecting germane areas central to efficient predictive analytics, which are seldom captured in existing software defect severity prediction reviews. The germane areas include the analysis of techniques or approaches which have a significant influence on the threats to the validity of proposed models, and the bias-variance tradeoff considerations techniques in data science-based approaches. A population, intervention, and outcome model is adopted for better search terms during the literature selection process, and subsequent quality assurance scrutiny yielded fifty-two primary studies. A subsequent thoroughbred systematic review was conducted on the final selected studies to answer eleven main research questions, which uncovers approaches that speak to the aforementioned germane areas of interest. The results indicate that while the machine learning approach is ubiquitous for predicting software defect severity, germane techniques central to better predictive analytics are infrequent in literature. This study is concluded by summarizing prominent study trends in a mind map to stimulate future research in the software engineering industry.publishedVersio

En-PaFlower: An Ensemble Approach using PSO and Flower Pollination Algorithm for Cancer Diagnosis

Machine learning now is used across many sectors and provides consistently precise predictions. The machine learning system is able to learn effectively because the training dataset contains examples of previously completed tasks. After learning how to process the necessary data, researchers have proven that machine learning algorithms can carry out the whole work autonomously. In recent years, cancer has become a major cause of the worldwide increase in mortality. Therefore, early detection of cancer improves the chance of a complete recovery, and Machine Learning (ML) plays a significant role in this perspective. Cancer diagnostic and prognosis microarray dataset is available with the biopsy dataset. Because of its importance in making diagnoses and classifying cancer diseases, the microarray data represents a massive amount. It may be challenging to do an analysis on a large number of datasets, though. As a result, feature selection is crucial, and machine learning provides classification techniques. These algorithms choose the relevant features that help build a more precise categorization model. Accurately classifying diseases is facilitated as a result, which aids in disease prevention. This work aims to synthesize existing knowledge on cancer diagnosis using machine learning techniques into a compact report.  Current research work aims to propose an ensemble-based machine learning model En-PaFlower using Particle Swarm Optimization (PSO) as the feature selection algorithm, Flower Pollination algorithm (FPA) as the optimization algorithm with the majority voting algorithm. Finally, the performance of the proposed algorithm is evaluated over three different types of cancer disease datasets with accuracy, precision, recall, specificity, and F-1 Score etc as the evaluation parameters. The empirical analysis shows that the proposed methodology shows highest accuracy as 95.65%