39 research outputs found
LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volume
LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volum
That Label's Got Style: Handling Label Style Bias for Uncertain Image Segmentation
Segmentation uncertainty models predict a distribution over plausible
segmentations for a given input, which they learn from the annotator variation
in the training set. However, in practice these annotations can differ
systematically in the way they are generated, for example through the use of
different labeling tools. This results in datasets that contain both data
variability and differing label styles. In this paper, we demonstrate that
applying state-of-the-art segmentation uncertainty models on such datasets can
lead to model bias caused by the different label styles. We present an updated
modelling objective conditioning on labeling style for aleatoric uncertainty
estimation, and modify two state-of-the-art-architectures for segmentation
uncertainty accordingly. We show with extensive experiments that this method
reduces label style bias, while improving segmentation performance, increasing
the applicability of segmentation uncertainty models in the wild. We curate two
datasets, with annotations in different label styles, which we will make
publicly available along with our code upon publication
LIPIcs, Volume 248, ISAAC 2022, Complete Volume
LIPIcs, Volume 248, ISAAC 2022, Complete Volum
Solving Multiple Inference in Graphical Models
For inference problems in graphical models, much effort has been directed at algorithms for obtaining one single optimal prediction. In practice, the data is often noisy or incomplete, which makes one single optimal solution unreliable. To address this problem, multiple Inference is proposed to find several best solutions, M-Best, where multiple hypotheses are preferred for advanced reasoning. People use oracle accuracy as an evaluation criterion expecting one of the solutions has high accuracy with the ground truth. It has been shown that it is beneficial for the top solutions to be diverse. Approaches for solving diverse multiple inference are proposed such as Diverse M-Best and M-Modes. They rely on hyper-parameters in enforcing diversity. Works keep optimizing the efficiency of solving difficult M-Modes problems by using an intelligent heuristic search on tree decompositions. The newest Min-Loss M-Best introduces a parameter-free method that directly minimizes the expected loss to simultaneously find the multiple top solution set
Semantic Segmentation of Ambiguous Images
Medizinische Bilder können schwer zu interpretieren sein. Nicht nur weil das Erkennen von Strukturen und möglichen Veränderungen Erfahrung und jahrelanges Training bedarf, sondern auch weil die dargestellten Messungen oft im Kern mehrdeutig sind. Fundamental ist dies eine Konsequenz dessen, dass medizinische Bild-Modalitäten, wie bespielsweise MRT oder CT, nur indirekte Messungen der zu Grunde liegenden molekularen Identitäten bereithalten. Die semantische Bedeutung eines Bildes kann deshalb im Allgemeinen nur gegeben einem größeren Bild-Kontext erfasst werden, welcher es oft allerdings nur unzureichend erlaubt eine eindeutige Interpretation in Form einer einzelnen Hypothese vorzunehmen.
Ähnliche Szenarien existieren in natürlichen Bildern, in welchen die Kontextinformation, die es braucht um Mehrdeutigkeiten aufzulösen, limitiert sein kann, beispielsweise aufgrund von Verdeckungen oder Rauschen in der Aufnahme. Zusätzlich können überlappende oder vage Klassen-Definitionen zu schlecht gestellten oder diversen Lösungsräumen führen. Die Präsenz solcher Mehrdeutigkeiten kann auch das Training und die Leistung von maschinellen Lernverfahren beeinträchtigen. Darüber hinaus sind aktuelle Modelle ueberwiegend unfähig komplex strukturierte und diverse Vorhersagen bereitzustellen und stattdessen dazu gezwungen sich auf sub-optimale, einzelne Lösungen oder ununterscheidbare Mixturen zu beschränken.
Dies kann besonders problematisch sein wenn Klassifikationsverfahren zu pixel-weisen Vorhersagen wie in der semantischen Segmentierung skaliert werden. Die semantische Segmentierung befasst sich damit jedem Pixel in einem Bild eine Klassen-Kategorie zuzuweisen. Diese Art des detailierten Bild-Verständnisses spielt auch eine wichtige Rolle in der Diagnose und der Behandlung von Krankheiten wie Krebs: Tumore werden häufig in MRT oder CT Bildern entdeckt und deren präzise Lokalisierung und Segmentierung ist von grosser Bedeutung in deren Bewertung, der Vorbereitung möglicher Biopsien oder der Planung von Fokal-Therapien. Diese klinischen Bildverarbeitungen, aber auch die optische Wahrnehmung unserer Umgebung im Rahmen von täglichen Aufgaben wie dem Autofahren, werden momentan von Menschen durchgeführt. Als Teil des zunehmenden Einbindens von maschinellen Lernverfahren in unsere Entscheidungsfindungsprozesse, ist es wichtig diese Aufgaben adequat zu modellieren. Dies schliesst Unsicherheitsabschätzungen der Modellvorhersagen mit ein, mitunter solche Unsicherheiten die den Bild-Mehrdeutigkeiten zugeschrieben werden können.
Die vorliegende Thesis schlägt mehrere Art und Weisen vor mit denen mit einer mehrdeutigen Bild-Evidenz umgegangen werden kann. Zunächst untersuchen wir den momentanen klinischen Standard der im Falle von Prostata Läsionen darin besteht, die MRT-sichtbaren Läsionen subjektiv auf ihre Aggressivität hin zu bewerten, was mit einer hohen Variabilität zwischen Bewertern einhergeht. Unseren Studien zufolge können bereits einfache machinelle Lernverfahren und sogar simple quantitative MRT-basierte Parameter besser abschneiden als ein individueller, subjektiver Experte, was ein vielversprechendes Potential der Quantifizerung des Prozesses nahelegt.
Desweiteren stellen wir die derzeit erfolgreichste Segmentierungsarchitektur auf einem stark mehrdeutigen Datensatz zur Probe der während klinischer Routine erhoben und annotiert wurde. Unsere Experimente zeigen, dass die standard Segmentierungsverlustfuntion in Szenarien mit starkem Annotationsrauschen sub-optimal sein kann. Als eine Alternative erproben wir die Möglichkeit ein Modell der Verlustunktion zu lernen mit dem Ziel die Koexistenz von plausiblen Lösungen während des Trainings zuzulassen. Wir beobachten gesteigerte Performanz unter Verwendung dieser Trainingsmethode für ansonsten unveränderte neuronale Netzarchitekturen und finden weiter gesteigerte relative Verbesserungen im Limit weniger Daten. Mangel an Daten und Annotationen, hohe Maße an Bild- und Annotationsrauschen sowie mehrdeutige Bild-Evidenz finden sich besonders häufig in Datensätzen medizinischer Bilder wieder. Dieser Teil der Thesis exponiert daher einige der Schwächen die standard Techniken des maschinellen Lernens im Lichte dieser Besonderheiten aufweisen können.
Derzeitige Segmentierungsmodelle, wie die zuvor Herangezogenen, sind dahingehend eingeschränkt, dass sie nur eine einzige Vorhersage abgeben können. Dies kontrastiert die Beobachtung dass eine Gruppe von Annotierern, gegeben mehrdeutiger Bilddaten, typischer Weise eine Menge an diverser aber plausibler Annotationen produziert. Um die vorgenannte Modell-Einschränkung zu beheben und die angemessen probabilistische Behandlung der Aufgabe zu ermöglichen, entwickeln wir zwei Modelle, die eine Verteilung über plausible Annotationen vorhersagen statt nur einer einzigen, deterministischen Annotation. Das erste der beiden Modelle kombiniert ein `encoder-decoder\u27 Modell mit dem Verfahren der `variational inference\u27 und verwendet einen globalen `latent vector\u27, der den Raum der möglichen Annotationen für ein gegebenes Bild kodiert. Wir zeigen, dass dieses Modell deutlich besser als die Referenzmethoden abschneidet und gut kalibrierte Unsicherheiten aufweist. Das zweite Modell verbessert diesen Ansatz indem es eine flexiblere und hierarchische Formulierung verwendet, die es erlaubt die Variabilität der Segmentierungen auf verschiedenden Skalen zu erfassen. Dies erhöht die Granularität der Segmentierungsdetails die das Modell produzieren kann und erlaubt es unabhängig variierende Bildregionen und Skalen zu modellieren. Beide dieser neuartigen generativen Segmentierungs-Modelle ermöglichen es, falls angebracht, diverse und kohärente Bild Segmentierungen zu erstellen, was im Kontrast zu früheren Arbeiten steht, welche entweder deterministisch sind, die Modellunsicherheiten auf der Pixelebene modellieren oder darunter leiden eine unangemessen geringe Diversität abzubilden.
Im Ergebnis befasst sich die vorliegende Thesis mit der Anwendung von maschinellem Lernen für die Interpretation medizinischer Bilder: Wir zeigen die Möglichkeit auf den klinischen Standard mit Hilfe einer quantitativen Verwendung von Bildparametern, die momentan nur subjektiv in Diagnosen einfliessen, zu verbessern, wir zeigen den möglichen Nutzen eines neuen Trainingsverfahrens um die scheinbare Verletzlichkeit der standard Segmentierungsverlustfunktion gegenüber starkem Annotationsrauschen abzumildern und wir schlagen zwei neue probabilistische Segmentierungsmodelle vor, die die Verteilung über angemessene Annotationen akkurat erlernen können. Diese Beiträge können als Schritte hin zu einer quantitativeren, verstärkt Prinzipien-gestützten und unsicherheitsbewussten Analyse von medizinischen Bildern gesehen werden -ein wichtiges Ziel mit Blick auf die fortschreitende Integration von lernbasierten Systemen in klinischen Arbeitsabläufen
M-Best-Diverse Labelings for Submodular Energies and Beyond
Abstract We consider the problem of finding M best diverse solutions of energy minimization problems for graphical models. Contrary to the sequential method of Batra et al., which greedily finds one solution after another, we infer all M solutions jointly. It was shown recently that such jointly inferred labelings not only have smaller total energy but also qualitatively outperform the sequentially obtained ones. The only obstacle for using this new technique is the complexity of the corresponding inference problem, since it is considerably slower algorithm than the method of Batra et al. In this work we show that the joint inference of M best diverse solutions can be formulated as a submodular energy minimization if the original MAP-inference problem is submodular, hence fast inference techniques can be used. In addition to the theoretical results we provide practical algorithms that outperform the current state-of-the-art and can be used in both submodular and non-submodular case
Optimization for Image Segmentation
Image segmentation, i.e., assigning each pixel a discrete label, is an essential task in computer vision with lots of applications. Major techniques for segmentation include for example Markov Random Field (MRF), Kernel Clustering (KC), and nowadays popular Convolutional Neural Networks (CNN). In this work, we focus on optimization for image segmentation. Techniques like MRF, KC, and CNN optimize MRF energies, KC criteria, or CNN losses respectively, and their corresponding optimization is very different. We are interested in the synergy and the complementary benefits of MRF, KC, and CNN for interactive segmentation and semantic segmentation. Our first contribution is pseudo-bound optimization for binary MRF energies that are high-order or non-submodular. Secondly, we propose Kernel Cut, a novel formulation for segmentation, which combines MRF regularization with Kernel Clustering. We show why to combine KC with MRF and how to optimize the joint objective. In the third part, we discuss how deep CNN segmentation can benefit from non-deep (i.e., shallow) methods like MRF and KC. In particular, we propose regularized losses for weakly-supervised CNN segmentation, in which we can integrate MRF energy or KC criteria as part of the losses. Minimization of regularized losses is a principled approach to semi-supervised learning, in general. Our regularized loss method is very simple and allows different kinds of regularization losses for CNN segmentation. We also study the optimization of regularized losses beyond gradient descent. Our regularized losses approach achieves state-of-the-art accuracy in semantic segmentation with near full supervision quality
Seeking Affinity Structure: Strategies for Improving m-best Graph Matching
State-of-the-art methods for finding the m-best solutions to graph matching (QAP) rely on exclusion strategies. The k-th best solution is found by excluding all better ones from the search space. This provides diversity, a natural requirement for transforming a MAP problem into a m-best one. Since diversity enforces mode hopping, it is usually combined with a mode-approximation strategy such as marginalisation. However, these methods are generic insofar they do not incorporate the detailed structure of the problem at hand, i.e. the properties of the global affinity matrix which characterise the search space. Without this knowledge, it is thus hard to devise a practical criterion for choosing the next variable to clamp. In this paper, we propose several strategies to select the next variable to clamp, spanning the whole range between depth-first and breadth-first search, and we contribute with a unifying view for characterising the search space on the fly. Our strategies are: a) Number of factors in which the variables participate, b) centrality measures associated with the affinity matrix, and c) discrete pooling. Our experiments show that max number of factors and centrality provide a trade-off between efficiency and accuracy, whereas discrete pooling leads to an improvement of the state-of-the-art