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

Online learning and detection of faces with low human supervision

The final publication is available at link.springer.comWe present an efficient,online,and interactive approach for computing a classifier, called Wild Lady Ferns (WiLFs), for face learning and detection using small human supervision. More precisely, on the one hand, WiLFs combine online boosting and extremely randomized trees (Random Ferns) to compute progressively an efficient and discriminative classifier. On the other hand, WiLFs use an interactive human-machine approach that combines two complementary learning strategies to reduce considerably the degree of human supervision during learning. While the first strategy corresponds to query-by-boosting active learning, that requests human assistance over difficult samples in function of the classifier confidence, the second strategy refers to a memory-based learning which uses ¿ Exemplar-based Nearest Neighbors (¿ENN) to assist automatically the classifier. A pre-trained Convolutional Neural Network (CNN) is used to perform ¿ENN with high-level feature descriptors. The proposed approach is therefore fast (WilFs run in 1 FPS using a code not fully optimized), accurate (we obtain detection rates over 82% in complex datasets), and labor-saving (human assistance percentages of less than 20%). As a byproduct, we demonstrate that WiLFs also perform semi-automatic annotation during learning, as while the classifier is being computed, WiLFs are discovering faces instances in input images which are used subsequently for training online the classifier. The advantages of our approach are demonstrated in synthetic and publicly available databases, showing comparable detection rates as offline approaches that require larger amounts of handmade training data.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

A random forest approach to segmenting and classifying gestures

This thesis investigates a gesture segmentation and recognition scheme that employs a random forest classification model. A complete gesture recognition system should localize and classify each gesture from a given gesture vocabulary, within a continuous video stream. Thus, the system must determine the start and end points of each gesture in time, as well as accurately recognize the class label of each gesture. We propose a unified approach that performs the tasks of temporal segmentation and classification simultaneously. Our method trains a random forest classification model to recognize gestures from a given vocabulary, as presented in a training dataset of video plus 3D body joint locations, as well as out-of-vocabulary (non-gesture) instances. Given an input video stream, our trained model is applied to candidate gestures using sliding windows at multiple temporal scales. The class label with the highest classifier confidence is selected, and its corresponding scale is used to determine the segmentation boundaries in time. We evaluated our formulation in segmenting and recognizing gestures from two different benchmark datasets: the NATOPS dataset of 9,600 gesture instances from a vocabulary of 24 aircraft handling signals, and the CHALEARN dataset of 7,754 gesture instances from a vocabulary of 20 Italian communication gestures. The performance of our method compares favorably with state-of-the-art methods that employ Hidden Markov Models or Hidden Conditional Random Fields on the NATOPS dataset. We conclude with a discussion of the advantages of using our model

Histopathological image analysis : a review

Over the past decade, dramatic increases in computational power and improvement in image analysis algorithms have allowed the development of powerful computer-assisted analytical approaches to radiological data. With the recent advent of whole slide digital scanners, tissue histopathology slides can now be digitized and stored in digital image form. Consequently, digitized tissue histopathology has now become amenable to the application of computerized image analysis and machine learning techniques. Analogous to the role of computer-assisted diagnosis (CAD) algorithms in medical imaging to complement the opinion of a radiologist, CAD algorithms have begun to be developed for disease detection, diagnosis, and prognosis prediction to complement the opinion of the pathologist. In this paper, we review the recent state of the art CAD technology for digitized histopathology. This paper also briefly describes the development and application of novel image analysis technology for a few specific histopathology related problems being pursued in the United States and Europe

Unsupervised learning of relation detection patterns

L'extracció d'informació és l'àrea del processament de llenguatge natural l'objectiu de la qual és l'obtenir dades estructurades a partir de la informació rellevant continguda en fragments textuals. L'extracció d'informació requereix una quantitat considerable de coneixement lingüístic. La especificitat d'aquest coneixement suposa un inconvenient de cara a la portabilitat dels sistemes, ja que un canvi d'idioma, domini o estil té un cost en termes d'esforç humà. Durant dècades, s'han aplicat tècniques d'aprenentatge automàtic per tal de superar aquest coll d'ampolla de portabilitat, reduint progressivament la supervisió humana involucrada. Tanmateix, a mida que augmenta la disponibilitat de grans col·leccions de documents, esdevenen necessàries aproximacions completament nosupervisades per tal d'explotar el coneixement que hi ha en elles. La proposta d'aquesta tesi és la d'incorporar tècniques de clustering a l'adquisició de patrons per a extracció d'informació, per tal de reduir encara més els elements de supervisió involucrats en el procés En particular, el treball se centra en el problema de la detecció de relacions. L'assoliment d'aquest objectiu final ha requerit, en primer lloc, el considerar les diferents estratègies en què aquesta combinació es podia dur a terme; en segon lloc, el desenvolupar o adaptar algorismes de clustering adequats a les nostres necessitats; i en tercer lloc, el disseny de procediments d'adquisició de patrons que incorporessin la informació de clustering. Al final d'aquesta tesi, havíem estat capaços de desenvolupar i implementar una aproximació per a l'aprenentatge de patrons per a detecció de relacions que, utilitzant tècniques de clustering i un mínim de supervisió humana, és competitiu i fins i tot supera altres aproximacions comparables en l'estat de l'art.Information extraction is the natural language processing area whose goal is to obtain structured data from the relevant information contained in textual fragments. Information extraction requires a significant amount of linguistic knowledge. The specificity of such knowledge supposes a drawback on the portability of the systems, as a change of language, domain or style demands a costly human effort. Machine learning techniques have been applied for decades so as to overcome this portability bottleneck¿progressively reducing the amount of involved human supervision. However, as the availability of large document collections increases, completely unsupervised approaches become necessary in order to mine the knowledge contained in them. The proposal of this thesis is to incorporate clustering techniques into pattern learning for information extraction, in order to further reduce the elements of supervision involved in the process. In particular, the work focuses on the problem of relation detection. The achievement of this ultimate goal has required, first, considering the different strategies in which this combination could be carried out; second, developing or adapting clustering algorithms suitable to our needs; and third, devising pattern learning procedures which incorporated clustering information. By the end of this thesis, we had been able to develop and implement an approach for learning of relation detection patterns which, using clustering techniques and minimal human supervision, is competitive and even outperforms other comparable approaches in the state of the art.Postprint (published version

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