A machine learning route between band mapping and band structure

The electronic band structure (BS) of solid state materials imprints the multidimensional and multi-valued functional relations between energy and momenta of periodically confined electrons. Photoemission spectroscopy is a powerful tool for its comprehensive characterization. A common task in photoemission band mapping is to recover the underlying quasiparticle dispersion, which we call band structure reconstruction. Traditional methods often focus on specific regions of interests yet require extensive human oversight. To cope with the growing size and scale of photoemission data, we develop a generic machine-learning approach leveraging the information within electronic structure calculations for this task. We demonstrate its capability by reconstructing all fourteen valence bands of tungsten diselenide and validate the accuracy on various synthetic data. The reconstruction uncovers previously inaccessible momentum-space structural information on both global and local scales in conjunction with theory, while realizing a path towards integrating band mapping data into materials science databases

Inferring Regulatory Networks by Combining Perturbation Screens and Steady State Gene Expression Profiles

Reconstructing transcriptional regulatory networks is an important task in functional genomics. Data obtained from experiments that perturb genes by knockouts or RNA interference contain useful information for addressing this reconstruction problem. However, such data can be limited in size and/or are expensive to acquire. On the other hand, observational data of the organism in steady state (e.g. wild-type) are more readily available, but their informational content is inadequate for the task at hand. We develop a computational approach to appropriately utilize both data sources for estimating a regulatory network. The proposed approach is based on a three-step algorithm to estimate the underlying directed but cyclic network, that uses as input both perturbation screens and steady state gene expression data. In the first step, the algorithm determines causal orderings of the genes that are consistent with the perturbation data, by combining an exhaustive search method with a fast heuristic that in turn couples a Monte Carlo technique with a fast search algorithm. In the second step, for each obtained causal ordering, a regulatory network is estimated using a penalized likelihood based method, while in the third step a consensus network is constructed from the highest scored ones. Extensive computational experiments show that the algorithm performs well in reconstructing the underlying network and clearly outperforms competing approaches that rely only on a single data source. Further, it is established that the algorithm produces a consistent estimate of the regulatory network.Comment: 24 pages, 4 figures, 6 table

Embedding Feature Selection for Large-scale Hierarchical Classification

Large-scale Hierarchical Classification (HC) involves datasets consisting of thousands of classes and millions of training instances with high-dimensional features posing several big data challenges. Feature selection that aims to select the subset of discriminant features is an effective strategy to deal with large-scale HC problem. It speeds up the training process, reduces the prediction time and minimizes the memory requirements by compressing the total size of learned model weight vectors. Majority of the studies have also shown feature selection to be competent and successful in improving the classification accuracy by removing irrelevant features. In this work, we investigate various filter-based feature selection methods for dimensionality reduction to solve the large-scale HC problem. Our experimental evaluation on text and image datasets with varying distribution of features, classes and instances shows upto 3x order of speed-up on massive datasets and upto 45% less memory requirements for storing the weight vectors of learned model without any significant loss (improvement for some datasets) in the classification accuracy. Source Code: https://cs.gmu.edu/~mlbio/featureselection.Comment: IEEE International Conference on Big Data (IEEE BigData 2016

Deep Learning based Recommender System: A Survey and New Perspectives

With the ever-growing volume of online information, recommender systems have been an effective strategy to overcome such information overload. The utility of recommender systems cannot be overstated, given its widespread adoption in many web applications, along with its potential impact to ameliorate many problems related to over-choice. In recent years, deep learning has garnered considerable interest in many research fields such as computer vision and natural language processing, owing not only to stellar performance but also the attractive property of learning feature representations from scratch. The influence of deep learning is also pervasive, recently demonstrating its effectiveness when applied to information retrieval and recommender systems research. Evidently, the field of deep learning in recommender system is flourishing. This article aims to provide a comprehensive review of recent research efforts on deep learning based recommender systems. More concretely, we provide and devise a taxonomy of deep learning based recommendation models, along with providing a comprehensive summary of the state-of-the-art. Finally, we expand on current trends and provide new perspectives pertaining to this new exciting development of the field.Comment: The paper has been accepted by ACM Computing Surveys. https://doi.acm.org/10.1145/328502

Unsupervised object candidate discovery for activity recognition

Die automatische Interpretation menschlicher Bewegungsabläufe auf Basis von Videos ist ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen im Bereich des Maschinellen Sehens, wie zum Beispiel Mensch-Roboter Interaktion, Videoüberwachung, und inhaltsbasierte Analyse von Multimedia Daten. Anders als die meisten Ansätze auf diesem Gebiet, die hauptsächlich auf die Klassifikation von einfachen Aktionen, wie Aufstehen, oder Gehen ausgerichtet sind, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Erkennung menschlicher Aktivitäten, d.h. komplexer Aktionssequenzen, die meist Interaktionen des Menschen mit Objekten beinhalten. Gemäß der Aktionsidentifikationstheorie leiten menschliche Aktivitäten ihre Bedeutung nicht nur von den involvierten Bewegungsmustern ab, sondern vor allem vom generellen Kontext, in dem sie stattfinden. Zu diesen kontextuellen Informationen gehören unter anderem die Gesamtheit aller vorher furchgeführter Aktionen, der Ort an dem sich die aktive Person befindet, sowie die Menge der Objekte, die von ihr manipuliert werden. Es ist zum Beispiel nicht möglich auf alleiniger Basis von Bewegungsmustern und ohne jeglicher Miteinbeziehung von Objektwissen zu entschieden ob eine Person, die ihre Hand zum Mund führt gerade etwas isst oder trinkt, raucht, oder bloß die Lippen abwischt. Die meisten Arbeiten auf dem Gebiet der computergestützten Aktons- und Aktivitätserkennung ignorieren allerdings jegliche durch den Kontext bedingte Informationen und beschränken sich auf die Identifikation menschlicher Aktivitäten auf Basis der beobachteten Bewegung. Wird jedoch Objektwissen für die Klassifikation miteinbezogen, so geschieht dies meist unter Zuhilfenahme von überwachten Detektoren, für deren Einrichtung widerum eine erhebliche Menge an Trainingsdaten erforderlich ist. Bedingt durch die hohen zeitlichen Kosten, die die Annotation dieser Trainingsdaten mit sich bringt, wird das Erweitern solcher Systeme, zum Beispiel durch das Hinzufügen neuer Typen von Aktionen, zum eigentlichen Flaschenhals. Ein weiterer Nachteil des Hinzuziehens von überwacht trainierten Objektdetektoren, ist deren Fehleranfälligkeit, selbst wenn die verwendeten Algorithmen dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Basierend auf dieser Beobachtung ist das Ziel dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit computergestützter Aktivitätserkennung zu verbessern mit Hilfe der Hinzunahme von Objektwissen, welches im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen ohne überwachten Trainings gewonnen werden kann. Wir Menschen haben die bemerkenswerte Fähigkeit selektiv die Aufmerksamkeit auf bestimmte Regionen im Blickfeld zu fokussieren und gleichzeitig nicht relevante Regionen auszublenden. Dieser kognitive Prozess erlaubt es uns unsere beschränkten Bewusstseinsressourcen unbewusst auf Inhalte zu richten, die anschließend durch das Gehirn ausgewertet werden. Zum Beispiel zur Interpretation visueller Muster als Objekte eines bestimmten Typs. Die Regionen im Blickfeld, die unsere Aufmerksamkeit unbewusst anziehen werden als Proto-Objekte bezeichnet. Sie sind definiert als unbestimmte Teile des visuellen Informationsspektrums, die zu einem späteren Zeitpunkt durch den Menschen als tatsächliche Objekte wahrgenommen werden können, wenn er seine Aufmerksamkeit auf diese richtet. Einfacher ausgedrückt: Proto-Objekte sind Kandidaten für Objekte, oder deren Bestandteile, die zwar lokalisiert aber noch nicht identifiziert wurden. Angeregt durch die menschliche Fähigkeit solche visuell hervorstechenden (salienten) Regionen zuverlässig vom Hintergrund zu unterscheiden, haben viele Wissenschaftler Methoden entwickelt, die es erlauben Proto-Objekte zu lokalisieren. Allen diesen Algorithmen ist gemein, dass möglichst wenig statistisches Wissens über tatsächliche Objekte vorausgesetzt wird. Visuelle Aufmerksamkeit und Objekterkennung sind sehr eng miteinander vernküpfte Prozesse im visuellen System des Menschen. Aus diesem Grund herrscht auf dem Gebiet des Maschinellen Sehens ein reges Interesse an der Integration beider Konzepte zur Erhöhung der Leistung aktueller Bilderkennungssysteme. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden gehen in eine ähnliche Richtung: wir demonstrieren, dass die Lokalisation von Proto-Objekten es erlaubt Objektkandidaten zu finden, die geeignet sind als zusätzliche Modalität zu dienen für die bewegungsbasierte Erkennung menschlicher Aktivitäten. Die Grundlage dieser Arbeit bildet dabei ein sehr effizienter Algorithmus, der die visuelle Salienz mit Hilfe von quaternionenbasierten DCT Bildsignaturen approximiert. Zur Extraktion einer Menge geeigneter Objektkandidaten (d.h. Proto-Objekten) aus den resultierenden Salienzkarten, haben wir eine Methode entwickelt, die den kognitiven Mechanismus des Inhibition of Return implementiert. Die auf diese Weise gewonnenen Objektkandidaten nutzen wir anschliessend in Kombination mit state-of-the-art Bag-of-Words Methoden zur Merkmalsbeschreibung von Bewegungsmustern um komplexe Aktivitäten des täglichen Lebens zu klassifizieren. Wir evaluieren das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte System auf diversen häufig genutzten Benchmark-Datensätzen und zeigen experimentell, dass das Miteinbeziehen von Proto-Objekten für die Aktivitätserkennung zu einer erheblichen Leistungssteigerung führt im Vergleich zu rein bewegungsbasierten Ansätzen. Zudem demonstrieren wir, dass das vorgestellte System bei der Erkennung menschlicher Aktivitäten deutlich weniger Fehler macht als eine Vielzahl von Methoden, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Überraschenderweise übertrifft unser System leistungsmäßig sogar Verfahren, die auf Objektwissen aufbauen, welches von überwacht trainierten Detektoren, oder manuell erstellten Annotationen stammt. Benchmark-Datensätze sind ein sehr wichtiges Mittel zum quantitativen Vergleich von computergestützten Mustererkennungsverfahren. Nach einer Überprüfung aller öffentlich verfügbaren, relevanten Benchmarks, haben wir jedoch festgestellt, dass keiner davon geeignet war für eine detaillierte Evaluation von Methoden zur Erkennung komplexer, menschlicher Aktivitäten. Aus diesem Grund bestand ein Teil dieser Arbeit aus der Konzeption und Aufnahme eines solchen Datensatzes, des KIT Robo-kitchen Benchmarks. Wie der Name vermuten lässt haben wir uns dabei für ein Küchenszenario entschieden, da es ermöglicht einen großen Umfang an Aktivitäten des täglichen Lebens einzufangen, von denen viele Objektmanipulationen enthalten. Um eine möglichst umfangreiche Menge natürlicher Bewegungen zu erhalten, wurden die Teilnehmer während der Aufnahmen kaum eingeschränkt in der Art und Weise wie die diversen Aktivitäten auszuführen sind. Zu diesem Zweck haben wir den Probanden nur die Art der auszuführenden Aktivität mitgeteilt, sowie wo die benötigten Gegenstände zu finden sind, und ob die jeweilige Tätigkeit am Küchentisch oder auf der Arbeitsplatte auszuführen ist. Dies hebt KIT Robo-kitchen deutlich hervor gegenüber den meisten existierenden Datensätzen, die sehr unrealistisch gespielte Aktivitäten enthalten, welche unter Laborbedingungen aufgenommen wurden. Seit seiner Veröffentlichung wurde der resultierende Benchmark mehrfach verwendet zur Evaluation von Algorithmen, die darauf abzielen lang andauerne, realistische, komplexe, und quasi-periodische menschliche Aktivitäten zu erkennen