Logic-based Modelling of Musical Harmony for Automatic Characterisation and Classification

The copyright of this thesis rests with the author and no quotation from it or information derived from it may be published without the prior written consent of the authorMusic like other online media is undergoing an information explosion. Massive online music stores such as the iTunes Store1 or Amazon MP32, and their counterparts, the streaming platforms, such as Spotify3, Rdio4 and Deezer5, offer more than 30 million6 pieces of music to their customers, that is to say anybody with a smart phone. Indeed these ubiquitous devices offer vast storage capacities and cloud-based apps that can cater any music request. As Paul Lamere puts it7: “we can now have a virtually endless supply of music in our pocket. The ‘bottomless iPod’ will have as big an effect on how we listen to music as the original iPod had back in 2001. But with millions of songs to chose from, we will need help finding music that we want to hear [...]. We will need new tools that help us manage our listening experience.” Retrieval, organisation, recommendation, annotation and characterisation of musical data is precisely what the Music Information Retrieval (MIR) community has been working on for at least 15 years (Byrd and Crawford, 2002). It is clear from its historical roots in practical fields such as Information Retrieval, Information Systems, Digital Resources and Digital Libraries but also from the publications presented at the first International Symposium on Music Information Retrieval in 2000 that MIR has been aiming to build tools to help people to navigate, explore and make sense of music collections (Downie et al., 2009). That also includes analytical tools to suppor

Explainable methods for knowledge graph refinement and exploration via symbolic reasoning

Knowledge Graphs (KGs) have applications in many domains such as Finance, Manufacturing, and Healthcare. While recent efforts have created large KGs, their content is far from complete and sometimes includes invalid statements. Therefore, it is crucial to refine the constructed KGs to enhance their coverage and accuracy via KG completion and KG validation. It is also vital to provide human-comprehensible explanations for such refinements, so that humans have trust in the KG quality. Enabling KG exploration, by search and browsing, is also essential for users to understand the KG value and limitations towards down-stream applications. However, the large size of KGs makes KG exploration very challenging. While the type taxonomy of KGs is a useful asset along these lines, it remains insufficient for deep exploration. In this dissertation we tackle the aforementioned challenges of KG refinement and KG exploration by combining logical reasoning over the KG with other techniques such as KG embedding models and text mining. Through such combination, we introduce methods that provide human-understandable output. Concretely, we introduce methods to tackle KG incompleteness by learning exception-aware rules over the existing KG. Learned rules are then used in inferring missing links in the KG accurately. Furthermore, we propose a framework for constructing human-comprehensible explanations for candidate facts from both KG and text. Extracted explanations are used to insure the validity of KG facts. Finally, to facilitate KG exploration, we introduce a method that combines KG embeddings with rule mining to compute informative entity clusters with explanations.Wissensgraphen haben viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen, beispielsweise im Finanz- und Gesundheitswesen. Wissensgraphen sind jedoch unvollständig und enthalten auch ungültige Daten. Hohe Abdeckung und Korrektheit erfordern neue Methoden zur Wissensgraph-Erweiterung und Wissensgraph-Validierung. Beide Aufgaben zusammen werden als Wissensgraph-Verfeinerung bezeichnet. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Erklärbarkeit und Verständlichkeit von Wissensgraphinhalten für Nutzer. In Anwendungen ist darüber hinaus die nutzerseitige Exploration von Wissensgraphen von besonderer Bedeutung. Suchen und Navigieren im Graph hilft dem Anwender, die Wissensinhalte und ihre Limitationen besser zu verstehen. Aufgrund der riesigen Menge an vorhandenen Entitäten und Fakten ist die Wissensgraphen-Exploration eine Herausforderung. Taxonomische Typsystem helfen dabei, sind jedoch für tiefergehende Exploration nicht ausreichend. Diese Dissertation adressiert die Herausforderungen der Wissensgraph-Verfeinerung und der Wissensgraph-Exploration durch algorithmische Inferenz über dem Wissensgraph. Sie erweitert logisches Schlussfolgern und kombiniert es mit anderen Methoden, insbesondere mit neuronalen Wissensgraph-Einbettungen und mit Text-Mining. Diese neuen Methoden liefern Ausgaben mit Erklärungen für Nutzer. Die Dissertation umfasst folgende Beiträge: Insbesondere leistet die Dissertation folgende Beiträge: • Zur Wissensgraph-Erweiterung präsentieren wir ExRuL, eine Methode zur Revision von Horn-Regeln durch Hinzufügen von Ausnahmebedingungen zum Rumpf der Regeln. Die erweiterten Regeln können neue Fakten inferieren und somit Lücken im Wissensgraphen schließen. Experimente mit großen Wissensgraphen zeigen, dass diese Methode Fehler in abgeleiteten Fakten erheblich reduziert und nutzerfreundliche Erklärungen liefert. • Mit RuLES stellen wir eine Methode zum Lernen von Regeln vor, die auf probabilistischen Repräsentationen für fehlende Fakten basiert. Das Verfahren erweitert iterativ die aus einem Wissensgraphen induzierten Regeln, indem es neuronale Wissensgraph-Einbettungen mit Informationen aus Textkorpora kombiniert. Bei der Regelgenerierung werden neue Metriken für die Regelqualität verwendet. Experimente zeigen, dass RuLES die Qualität der gelernten Regeln und ihrer Vorhersagen erheblich verbessert. • Zur Unterstützung der Wissensgraph-Validierung wird ExFaKT vorgestellt, ein Framework zur Konstruktion von Erklärungen für Faktkandidaten. Die Methode transformiert Kandidaten mit Hilfe von Regeln in eine Menge von Aussagen, die leichter zu finden und zu validieren oder widerlegen sind. Die Ausgabe von ExFaKT ist eine Menge semantischer Evidenzen für Faktkandidaten, die aus Textkorpora und dem Wissensgraph extrahiert werden. Experimente zeigen, dass die Transformationen die Ausbeute und Qualität der entdeckten Erklärungen deutlich verbessert. Die generierten unterstützen Erklärungen unterstütze sowohl die manuelle Wissensgraph- Validierung durch Kuratoren als auch die automatische Validierung. • Zur Unterstützung der Wissensgraph-Exploration wird ExCut vorgestellt, eine Methode zur Erzeugung von informativen Entitäts-Clustern mit Erklärungen unter Verwendung von Wissensgraph-Einbettungen und automatisch induzierten Regeln. Eine Cluster-Erklärung besteht aus einer Kombination von Relationen zwischen den Entitäten, die den Cluster identifizieren. ExCut verbessert gleichzeitig die Cluster- Qualität und die Cluster-Erklärbarkeit durch iteratives Verschränken des Lernens von Einbettungen und Regeln. Experimente zeigen, dass ExCut Cluster von hoher Qualität berechnet und dass die Cluster-Erklärungen für Nutzer informativ sind

Explaining Data Patterns using Knowledge from the Web of Data

Knowledge Discovery (KD) is a long-tradition field aiming at developing methodologies to detect hidden patterns and regularities in large datasets, using techniques from a wide range of domains, such as statistics, machine learning, pattern recognition or data visualisation. In most real world contexts, the interpretation and explanation of the discovered patterns is left to human experts, whose work is to use their background knowledge to analyse, refine and make the patterns understandable for the intended purpose. Explaining patterns is therefore an intensive and time-consuming process, where parts of the knowledge can remain unrevealed, especially when the experts lack some of the required background knowledge. In this thesis, we investigate the hypothesis that such interpretation process can be facilitated by introducing background knowledge from the Web of (Linked) Data. In the last decade, many areas started publishing and sharing their domain-specific knowledge in the form of structured data, with the objective of encouraging information sharing, reuse and discovery. With a constantly increasing amount of shared and connected knowledge, we thus assume that the process of explaining patterns can become easier, faster, and more automated. To demonstrate this, we developed Dedalo, a framework that automatically provides explanations to patterns of data using the background knowledge extracted from the Web of Data. We studied the elements required for a piece of information to be considered an explanation, identified the best strategies to automatically find the right piece of information in the Web of Data, and designed a process able to produce explanations to a given pattern using the background knowledge autonomously collected from the Web of Data. The final evaluation of Dedalo involved users within an empirical study based on a real-world scenario. We demonstrated that the explanation process is complex when not being familiar with the domain of usage, but also that this can be considerably simplified when using the Web of Data as a source of background knowledge

Learning, Probability and Logic: Toward a Unified Approach for Content-Based Music Information Retrieval

Within the last 15 years, the field of Music Information Retrieval (MIR) has made tremendous progress in the development of algorithms for organizing and analyzing the ever-increasing large and varied amount of music and music-related data available digitally. However, the development of content-based methods to enable or ameliorate multimedia retrieval still remains a central challenge. In this perspective paper, we critically look at the problem of automatic chord estimation from audio recordings as a case study of content-based algorithms, and point out several bottlenecks in current approaches: expressiveness and flexibility are obtained to the expense of robustness and vice versa; available multimodal sources of information are little exploited; modeling multi-faceted and strongly interrelated musical information is limited with current architectures; models are typically restricted to short-term analysis that does not account for the hierarchical temporal structure of musical signals. Dealing with music data requires the ability to tackle both uncertainty and complex relational structure at multiple levels of representation. Traditional approaches have generally treated these two aspects separately, probability and learning being the usual way to represent uncertainty in knowledge, while logical representation being the usual way to represent knowledge and complex relational information. We advocate that the identified hurdles of current approaches could be overcome by recent developments in the area of Statistical Relational Artificial Intelligence (StarAI) that unifies probability, logic and (deep) learning. We show that existing approaches used in MIR find powerful extensions and unifications in StarAI, and we explain why we think it is time to consider the new perspectives offered by this promising research field

Integrated learning programme guidebook 2019-2020 : term 2

This Integrated Learning Programme (ILP) guidebook provides details about ILP courses offered during 2019-2020 second term in Lingnan University, Hong Kong.https://commons.ln.edu.hk/ilp_guidebook/1034/thumbnail.jp

Populating knowledge bases with temporal information

Recent progress in information extraction has enabled the automatic construction of large knowledge bases. Knowledge bases contain millions of entities (e.g. persons, organizations, events, etc.), their semantic classes, and facts about them. Knowledge bases have become a great asset for semantic search, entity linking, deep analytics, and question answering. However, a common limitation of current knowledge bases is the poor coverage of temporal knowledge. First of all, so far, knowledge bases have focused on popular events and ignored long tail events such as political scandals, local festivals, or protests. Secondly, they do not cover the textual phrases denoting events and temporal facts at all. The goal of this dissertation, thus, is to automatically populate knowledge bases with this kind of temporal knowledge. The dissertation makes the following contributions to address the afore mentioned limitations. The first contribution is a method for extracting events from news articles. The method reconciles the extracted events into canonicalized representations and organizes them into fine-grained semantic classes. The second contribution is a method for mining the textual phrases denoting the events and facts. The method infers the temporal scopes of these phrases and maps them to a knowledge base. Our experimental evaluations demonstrate that our methods yield high quality output compared to state-of- the-art approaches, and can indeed populate knowledge bases with temporal knowledge.Der Fortschritt in der Informationsextraktion ermöglicht heute das automatischen Erstellen von Wissensbasen. Derartige Wissensbasen enthalten Entitäten wie Personen, Organisationen oder Events sowie Informationen über diese und deren semantische Klasse. Automatisch generierte Wissensbasen bilden eine wesentliche Grundlage für das semantische Suchen, das Verknüpfen von Entitäten, die Textanalyse und für natürlichsprachliche Frage-Antwortsysteme. Eine Schwäche aktueller Wissensbasen ist jedoch die unzureichende Erfassung von temporalen Informationen. Wissenbasen fokussieren in erster Linie auf populäre Events und ignorieren weniger bekannnte Events wie z.B. politische Skandale, lokale Veranstaltungen oder Demonstrationen. Zudem werden Textphrasen zur Bezeichung von Events und temporalen Fakten nicht erfasst. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Methoden zu entwickeln, die temporales Wissen au- tomatisch in Wissensbasen integrieren. Dazu leistet die Dissertation folgende Beiträge: 1. Die Entwicklung einer Methode zur Extrahierung von Events aus Nachrichtenartikeln sowie deren Darstellung in einer kanonischen Form und ihrer Einordnung in detaillierte semantische Klassen. 2. Die Entwicklung einer Methode zur Gewinnung von Textphrasen, die Events und Fakten in Wissensbasen bezeichnen sowie einer Methode zur Ableitung ihres zeitlichen Verlaufs und ihrer Dauer. Unsere Experimente belegen, dass die von uns entwickelten Methoden zu qualitativ deutlich besseren Ausgabewerten führen als bisherige Verfahren und Wissensbasen tatsächlich um temporales Wissen erweitern können

Automatic extraction of facts, relations, and entities for web-scale knowledge base population

Equipping machines with knowledge, through the construction of machinereadable knowledge bases, presents a key asset for semantic search, machine translation, question answering, and other formidable challenges in artificial intelligence. However, human knowledge predominantly resides in books and other natural language text forms. This means that knowledge bases must be extracted and synthesized from natural language text. When the source of text is the Web, extraction methods must cope with ambiguity, noise, scale, and updates. The goal of this dissertation is to develop knowledge base population methods that address the afore mentioned characteristics of Web text. The dissertation makes three contributions. The first contribution is a method for mining high-quality facts at scale, through distributed constraint reasoning and a pattern representation model that is robust against noisy patterns. The second contribution is a method for mining a large comprehensive collection of relation types beyond those commonly found in existing knowledge bases. The third contribution is a method for extracting facts from dynamic Web sources such as news articles and social media where one of the key challenges is the constant emergence of new entities. All methods have been evaluated through experiments involving Web-scale text collections.Maschinenlesbare Wissensbasen sind ein zentraler Baustein für semantische Suche, maschinelles Übersetzen, automatisches Beantworten von Fragen und andere komplexe Fragestellungen der Künstlichen Intelligenz. Allerdings findet man menschliches Wissen bis dato überwiegend in Büchern und anderen natürlichsprachigen Texten. Das hat zur Folge, dass Wissensbasen durch automatische Extraktion aus Texten erstellt werden müssen. Bei Texten aus dem Web müssen Extraktionsmethoden mit einem hohen Maß an Mehrdeutigkeit und Rauschen sowie mit sehr großen Datenvolumina und häufiger Aktualisierung zurechtkommen. Das Ziel dieser Dissertation ist, Methoden zu entwickeln, die die automatische Erstellung von Wissensbasen unter den zuvor genannten Unwägbarkeiten von Texten aus dem Web ermöglichen. Die Dissertation leistet dazu drei Beiträge. Der erste Beitrag ist ein skalierbar verteiltes Verfahren, das die effiziente Extraktion hochwertiger Fakten unterstützt, indem logische Inferenzen mit robuster Textmustererkennung kombiniert werden. Der zweite Beitrag der Arbeit ist eine Methodik zur automatischen Konstruktion einer umfassenden Sammlung typisierter Relationen, die weit über die in existierenden Wissensbasen bekannten Relationen hinausgeht. Der dritte Beitrag ist ein neuartiges Verfahren zur Extraktion von Fakten aus dynamischen Webinhalten wie Nachrichtenartikeln und sozialen Medien. Insbesondere werden Lösungen vorgestellt zur Erkennung und Registrierung neuer Entitäten, die bislang in keiner Wissenbasis enthalten sind. Alle Verfahren wurden durch umfassende Experimente auf großen Text und Webkorpora evaluiert