Neural networks for optical channel equalization in high speed communication systems

La demande future de bande passante pour les données dépassera les capacités des systèmes de communication optique actuels, qui approchent de leurs limites en raison des limitations de la bande passante électrique des composants de l’émetteur. L’interférence intersymbole (ISI) due à cette limitation de bande est le principal facteur de dégradation pour atteindre des débits de données élevés. Dans ce mémoire, nous étudions plusieurs techniques de réseaux neuronaux (NN) pour combattre les limites physiques des composants de l’émetteur pilotés à des débits de données élevés et exploitant les formats de modulation avancés avec une détection cohérente. Notre objectif principal avec les NN comme égaliseurs de canaux ISI est de surmonter les limites des récepteurs optimaux conventionnels, en fournissant une complexité évolutive moindre et une solution quasi optimale. Nous proposons une nouvelle architecture bidirectionnelle profonde de mémoire à long terme (BiLSTM), qui est efficace pour atténuer les graves problèmes d’ISI causés par les composants à bande limitée. Pour la première fois, nous démontrons par simulation que notre BiLSTM profonde proposée atteint le même taux d’erreur sur les bits(TEB) qu’un estimateur de séquence à maximum de vraisemblance (MLSE) optimal pour la modulation MDPQ. Les NN étant des modèles pilotés par les données, leurs performances dépendent fortement de la qualité des données d’entrée. Nous démontrons comment les performances du BiLSTM profond réalisable se dégradent avec l’augmentation de l’ordre de modulation. Nous examinons également l’impact de la sévérité de l’ISI et de la longueur de la mémoire du canal sur les performances de la BiLSTM profonde. Nous étudions les performances de divers canaux synthétiques à bande limitée ainsi qu’un canal optique mesuré à 100 Gbaud en utilisant un modulateur photonique au silicium (SiP) de 35 GHz. La gravité ISI de ces canaux est quantifiée grâce à une nouvelle vue graphique des performances basée sur les écarts de performance de base entre les solutions optimales linéaires et non linéaires classiques. Aux ordres QAM supérieurs à la QPSK, nous quantifions l’écart de performance BiLSTM profond par rapport à la MLSE optimale à mesure que la sévérité ISI augmente. Alors qu’elle s’approche des performances optimales de la MLSE à 8QAM et 16QAM avec une pénalité, elle est capable de dépasser largement la solution optimale linéaire à 32QAM. Plus important encore, l’avantage de l’utilisation de modèles d’auto-apprentissage comme les NN est leur capacité à apprendre le canal pendant la formation, alors que la MLSE optimale nécessite des informations précises sur l’état du canal.The future demand for the data bandwidth will surpass the capabilities of current optical communication systems, which are approaching their limits due to the electrical bandwidth limitations of the transmitter components. Inter-symbol interference (ISI) due to this band limitation is the major degradation factor to achieve high data rates. In this thesis, we investigate several neural network (NN) techniques to combat the physical limits of the transmitter components driven at high data rates and exploiting the advanced modulation formats with coherent detection. Our main focus with NNs as ISI channel equalizers is to overcome the limitations of conventional optimal receivers, by providing lower scalable complexity and near optimal solution. We propose a novel deep bidirectional long short-term memory (BiLSTM) architecture, that is effective in mitigating severe ISI caused by bandlimited components. For the first time, we demonstrate via simulation that our proposed deep BiLSTM achieves the same bit error rate (BER) performance as an optimal maximum likelihood sequence estimator (MLSE) for QPSK modulation. The NNs being data-driven models, their performance acutely depends on input data quality. We demonstrate how the achievable deep BiLSTM performance degrades with the increase in modulation order. We also examine the impact of ISI severity and channel memory length on deep BiLSTM performance. We investigate the performances of various synthetic band-limited channels along with a measured optical channel at 100 Gbaud using a 35 GHz silicon photonic(SiP) modulator. The ISI severity of these channels is quantified with a new graphical view of performance based on the baseline performance gaps between conventional linear and nonlinear optimal solutions. At QAM orders above QPSK, we quantify deep BiLSTM performance deviation from the optimal MLSE as ISI severity increases. While deep BiLSTM approaches the optimal MLSE performance at 8QAM and 16QAM with a penalty, it is able to greatly surpass the linear optimal solution at 32QAM. More importantly, the advantage of using self learning models like NNs is their ability to learn the channel during the training, while the optimal MLSE requires accurate channel state information

Neural Networks for Document Image and Text Processing

Nowadays, the main libraries and document archives are investing a considerable effort on digitizing their collections. Indeed, most of them are scanning the documents and publishing the resulting images without their corresponding transcriptions. This seriously limits the document exploitation possibilities. When the transcription is necessary, it is manually performed by human experts, which is a very expensive and error-prone task. Obtaining transcriptions to the level of required quality demands the intervention of human experts to review and correct the resulting output of the recognition engines. To this end, it is extremely useful to provide interactive tools to obtain and edit the transcription. Although text recognition is the final goal, several previous steps (known as preprocessing) are necessary in order to get a fine transcription from a digitized image. Document cleaning, enhancement, and binarization (if they are needed) are the first stages of the recognition pipeline. Historical Handwritten Documents, in addition, show several degradations, stains, ink-trough and other artifacts. Therefore, more sophisticated and elaborate methods are required when dealing with these kind of documents, even expert supervision in some cases is needed. Once images have been cleaned, main zones of the image have to be detected: those that contain text and other parts such as images, decorations, versal letters. Moreover, the relations among them and the final text have to be detected. Those preprocessing steps are critical for the final performance of the system since an error at this point will be propagated during the rest of the transcription process. The ultimate goal of the Document Image Analysis pipeline is to receive the transcription of the text (Optical Character Recognition and Handwritten Text Recognition). During this thesis we aimed to improve the main stages of the recognition pipeline, from the scanned documents as input to the final transcription. We focused our effort on applying Neural Networks and deep learning techniques directly on the document images to extract suitable features that will be used by the different tasks dealt during the following work: Image Cleaning and Enhancement (Document Image Binarization), Layout Extraction, Text Line Extraction, Text Line Normalization and finally decoding (or text line recognition). As one can see, the following work focuses on small improvements through the several Document Image Analysis stages, but also deals with some of the real challenges: historical manuscripts and documents without clear layouts or very degraded documents. Neural Networks are a central topic for the whole work collected in this document. Different convolutional models have been applied for document image cleaning and enhancement. Connectionist models have been used, as well, for text line extraction: first, for detecting interest points and combining them in text segments and, finally, extracting the lines by means of aggregation techniques; and second, for pixel labeling to extract the main body area of the text and then the limits of the lines. For text line preprocessing, i.e., to normalize the text lines before recognizing them, similar models have been used to detect the main body area and then to height-normalize the images giving more importance to the central area of the text. Finally, Convolutional Neural Networks and deep multilayer perceptrons have been combined with hidden Markov models to improve our transcription engine significantly. The suitability of all these approaches has been tested with different corpora for any of the stages dealt, giving competitive results for most of the methodologies presented.Hoy en día, las principales librerías y archivos está invirtiendo un esfuerzo considerable en la digitalización de sus colecciones. De hecho, la mayoría están escaneando estos documentos y publicando únicamente las imágenes sin transcripciones, limitando seriamente la posibilidad de explotar estos documentos. Cuando la transcripción es necesaria, esta se realiza normalmente por expertos de forma manual, lo cual es una tarea costosa y propensa a errores. Si se utilizan sistemas de reconocimiento automático se necesita la intervención de expertos humanos para revisar y corregir la salida de estos motores de reconocimiento. Por ello, es extremadamente útil para proporcionar herramientas interactivas con el fin de generar y corregir la transcripciones. Aunque el reconocimiento de texto es el objetivo final del Análisis de Documentos, varios pasos previos (preprocesamiento) son necesarios para conseguir una buena transcripción a partir de una imagen digitalizada. La limpieza, mejora y binarización de las imágenes son las primeras etapas del proceso de reconocimiento. Además, los manuscritos históricos tienen una mayor dificultad en el preprocesamiento, puesto que pueden mostrar varios tipos de degradaciones, manchas, tinta a través del papel y demás dificultades. Por lo tanto, este tipo de documentos requiere métodos de preprocesamiento más sofisticados. En algunos casos, incluso, se precisa de la supervisión de expertos para garantizar buenos resultados en esta etapa. Una vez que las imágenes han sido limpiadas, las diferentes zonas de la imagen deben de ser localizadas: texto, gráficos, dibujos, decoraciones, letras versales, etc. Por otra parte, también es importante conocer las relaciones entre estas entidades. Estas etapas del pre-procesamiento son críticas para el rendimiento final del sistema, ya que los errores cometidos en aquí se propagarán al resto del proceso de transcripción. El objetivo principal del trabajo presentado en este documento es mejorar las principales etapas del proceso de reconocimiento completo: desde las imágenes escaneadas hasta la transcripción final. Nuestros esfuerzos se centran en aplicar técnicas de Redes Neuronales (ANNs) y aprendizaje profundo directamente sobre las imágenes de los documentos, con la intención de extraer características adecuadas para las diferentes tareas: Limpieza y Mejora de Documentos, Extracción de Líneas, Normalización de Líneas de Texto y, finalmente, transcripción del texto. Como se puede apreciar, el trabajo se centra en pequeñas mejoras en diferentes etapas del Análisis y Procesamiento de Documentos, pero también trata de abordar tareas más complejas: manuscritos históricos, o documentos que presentan degradaciones. Las ANNs y el aprendizaje profundo son uno de los temas centrales de esta tesis. Diferentes modelos neuronales convolucionales se han desarrollado para la limpieza y mejora de imágenes de documentos. También se han utilizado modelos conexionistas para la extracción de líneas: primero, para detectar puntos de interés y segmentos de texto y, agregarlos para extraer las líneas del documento; y en segundo lugar, etiquetando directamente los píxeles de la imagen para extraer la zona central del texto y así definir los límites de las líneas. Para el preproceso de las líneas de texto, es decir, la normalización del texto antes del reconocimiento final, se han utilizado modelos similares a los mencionados para detectar la zona central del texto. Las imagenes se rescalan a una altura fija dando más importancia a esta zona central. Por último, en cuanto a reconocimiento de escritura manuscrita, se han combinado técnicas de ANNs y aprendizaje profundo con Modelos Ocultos de Markov, mejorando significativamente los resultados obtenidos previamente por nuestro motor de reconocimiento. La idoneidad de todos estos enfoques han sido testeados con diferentes corpus en cada una de las tareas tratadas., obtenieAvui en dia, les principals llibreries i arxius històrics estan invertint un esforç considerable en la digitalització de les seues col·leccions de documents. De fet, la majoria estan escanejant aquests documents i publicant únicament les imatges sense les seues transcripcions, fet que limita seriosament la possibilitat d'explotació d'aquests documents. Quan la transcripció del text és necessària, normalment aquesta és realitzada per experts de forma manual, la qual cosa és una tasca costosa i pot provocar errors. Si s'utilitzen sistemes de reconeixement automàtic es necessita la intervenció d'experts humans per a revisar i corregir l'eixida d'aquests motors de reconeixement. Per aquest motiu, és extremadament útil proporcionar eines interactives amb la finalitat de generar i corregir les transcripcions generades pels motors de reconeixement. Tot i que el reconeixement del text és l'objectiu final de l'Anàlisi de Documents, diversos passos previs (coneguts com preprocessament) són necessaris per a l'obtenció de transcripcions acurades a partir d'imatges digitalitzades. La neteja, millora i binarització de les imatges (si calen) són les primeres etapes prèvies al reconeixement. A més a més, els manuscrits històrics presenten una major dificultat d'analisi i preprocessament, perquè poden mostrar diversos tipus de degradacions, taques, tinta a través del paper i altres peculiaritats. Per tant, aquest tipus de documents requereixen mètodes de preprocessament més sofisticats. En alguns casos, fins i tot, es precisa de la supervisió d'experts per a garantir bons resultats en aquesta etapa. Una vegada que les imatges han sigut netejades, les diferents zones de la imatge han de ser localitzades: text, gràfics, dibuixos, decoracions, versals, etc. D'altra banda, també és important conéixer les relacions entre aquestes entitats i el text que contenen. Aquestes etapes del preprocessament són crítiques per al rendiment final del sistema, ja que els errors comesos en aquest moment es propagaran a la resta del procés de transcripció. L'objectiu principal del treball que estem presentant és millorar les principals etapes del procés de reconeixement, és a dir, des de les imatges escanejades fins a l'obtenció final de la transcripció del text. Els nostres esforços se centren en aplicar tècniques de Xarxes Neuronals (ANNs) i aprenentatge profund directament sobre les imatges de documents, amb la intenció d'extraure característiques adequades per a les diferents tasques analitzades: neteja i millora de documents, extracció de línies, normalització de línies de text i, finalment, transcripció. Com es pot apreciar, el treball realitzat aplica xicotetes millores en diferents etapes de l'Anàlisi de Documents, però també tracta d'abordar tasques més complexes: manuscrits històrics, o documents que presenten degradacions. Les ANNs i l'aprenentatge profund són un dels temes centrals d'aquesta tesi. Diferents models neuronals convolucionals s'han desenvolupat per a la neteja i millora de les dels documents. També s'han utilitzat models connexionistes per a la tasca d'extracció de línies: primer, per a detectar punts d'interés i segments de text i, agregar-los per a extraure les línies del document; i en segon lloc, etiquetant directament els pixels de la imatge per a extraure la zona central del text i així definir els límits de les línies. Per al preprocés de les línies de text, és a dir, la normalització del text abans del reconeixement final, s'han utilitzat models similars als utilitzats per a l'extracció de línies. Finalment, quant al reconeixement d'escriptura manuscrita, s'han combinat tècniques de ANNs i aprenentatge profund amb Models Ocults de Markov, que han millorat significativament els resultats obtinguts prèviament pel nostre motor de reconeixement. La idoneïtat de tots aquests enfocaments han sigut testejats amb diferents corpus en cadascuna de les tasques tractadPastor Pellicer, J. (2017). Neural Networks for Document Image and Text Processing [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90443TESI

A Survey on Neural Network Interpretability

Along with the great success of deep neural networks, there is also growing concern about their black-box nature. The interpretability issue affects people's trust on deep learning systems. It is also related to many ethical problems, e.g., algorithmic discrimination. Moreover, interpretability is a desired property for deep networks to become powerful tools in other research fields, e.g., drug discovery and genomics. In this survey, we conduct a comprehensive review of the neural network interpretability research. We first clarify the definition of interpretability as it has been used in many different contexts. Then we elaborate on the importance of interpretability and propose a novel taxonomy organized along three dimensions: type of engagement (passive vs. active interpretation approaches), the type of explanation, and the focus (from local to global interpretability). This taxonomy provides a meaningful 3D view of distribution of papers from the relevant literature as two of the dimensions are not simply categorical but allow ordinal subcategories. Finally, we summarize the existing interpretability evaluation methods and suggest possible research directions inspired by our new taxonomy.Comment: This work has been accepted by IEEE-TETC