Effective Graph-Based Content--Based Image Retrieval Systems for Large-Scale and Small-Scale Image Databases

This dissertation proposes two novel manifold graph-based ranking systems for Content-Based Image Retrieval (CBIR). The two proposed systems exploit the synergism between relevance feedback-based transductive short-term learning and semantic feature-based long-term learning to improve retrieval performance. Proposed systems first apply the active learning mechanism to construct users\u27 relevance feedback log and extract high-level semantic features for each image. These systems then create manifold graphs by incorporating both the low-level visual similarity and the high-level semantic similarity to achieve more meaningful structures for the image space. Finally, asymmetric relevance vectors are created to propagate relevance scores of labeled images to unlabeled images via manifold graphs. The extensive experimental results demonstrate two proposed systems outperform the other state-of-the-art CBIR systems in the context of both correct and erroneous users\u27 feedback

Interactive Machine Learning with Applications in Health Informatics

Recent years have witnessed unprecedented growth of health data, including millions of biomedical research publications, electronic health records, patient discussions on health forums and social media, fitness tracker trajectories, and genome sequences. Information retrieval and machine learning techniques are powerful tools to unlock invaluable knowledge in these data, yet they need to be guided by human experts. Unlike training machine learning models in other domains, labeling and analyzing health data requires highly specialized expertise, and the time of medical experts is extremely limited. How can we mine big health data with little expert effort? In this dissertation, I develop state-of-the-art interactive machine learning algorithms that bring together human intelligence and machine intelligence in health data mining tasks. By making efficient use of human expert's domain knowledge, we can achieve high-quality solutions with minimal manual effort. I first introduce a high-recall information retrieval framework that helps human users efficiently harvest not just one but as many relevant documents as possible from a searchable corpus. This is a common need in professional search scenarios such as medical search and literature review. Then I develop two interactive machine learning algorithms that leverage human expert's domain knowledge to combat the curse of "cold start" in active learning, with applications in clinical natural language processing. A consistent empirical observation is that the overall learning process can be reliably accelerated by a knowledge-driven "warm start", followed by machine-initiated active learning. As a theoretical contribution, I propose a general framework for interactive machine learning. Under this framework, a unified optimization objective explains many existing algorithms used in practice, and inspires the design of new algorithms.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147518/1/raywang_1.pd

Recuperação multimodal e interativa de informação orientada por diversidade

Orientador: Ricardo da Silva TorresTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Os métodos de Recuperação da Informação, especialmente considerando-se dados multimídia, evoluíram para a integração de múltiplas fontes de evidência na análise de relevância de itens em uma tarefa de busca. Neste contexto, para atenuar a distância semântica entre as propriedades de baixo nível extraídas do conteúdo dos objetos digitais e os conceitos semânticos de alto nível (objetos, categorias, etc.) e tornar estes sistemas adaptativos às diferentes necessidades dos usuários, modelos interativos que consideram o usuário mais próximo do processo de recuperação têm sido propostos, permitindo a sua interação com o sistema, principalmente por meio da realimentação de relevância implícita ou explícita. Analogamente, a promoção de diversidade surgiu como uma alternativa para lidar com consultas ambíguas ou incompletas. Adicionalmente, muitos trabalhos têm tratado a ideia de minimização do esforço requerido do usuário em fornecer julgamentos de relevância, à medida que mantém níveis aceitáveis de eficácia. Esta tese aborda, propõe e analisa experimentalmente métodos de recuperação da informação interativos e multimodais orientados por diversidade. Este trabalho aborda de forma abrangente a literatura acerca da recuperação interativa da informação e discute sobre os avanços recentes, os grandes desafios de pesquisa e oportunidades promissoras de trabalho. Nós propusemos e avaliamos dois métodos de aprimoramento do balanço entre relevância e diversidade, os quais integram múltiplas informações de imagens, tais como: propriedades visuais, metadados textuais, informação geográfica e descritores de credibilidade dos usuários. Por sua vez, como integração de técnicas de recuperação interativa e de promoção de diversidade, visando maximizar a cobertura de múltiplas interpretações/aspectos de busca e acelerar a transferência de informação entre o usuário e o sistema, nós propusemos e avaliamos um método multimodal de aprendizado para ranqueamento utilizando realimentação de relevância sobre resultados diversificados. Nossa análise experimental mostra que o uso conjunto de múltiplas fontes de informação teve impacto positivo nos algoritmos de balanceamento entre relevância e diversidade. Estes resultados sugerem que a integração de filtragem e re-ranqueamento multimodais é eficaz para o aumento da relevância dos resultados e também como mecanismo de potencialização dos métodos de diversificação. Além disso, com uma análise experimental minuciosa, nós investigamos várias questões de pesquisa relacionadas à possibilidade de aumento da diversidade dos resultados e a manutenção ou até mesmo melhoria da sua relevância em sessões interativas. Adicionalmente, nós analisamos como o esforço em diversificar afeta os resultados gerais de uma sessão de busca e como diferentes abordagens de diversificação se comportam para diferentes modalidades de dados. Analisando a eficácia geral e também em cada iteração de realimentação de relevância, nós mostramos que introduzir diversidade nos resultados pode prejudicar resultados iniciais, enquanto que aumenta significativamente a eficácia geral em uma sessão de busca, considerando-se não apenas a relevância e diversidade geral, mas também o quão cedo o usuário é exposto ao mesmo montante de itens relevantes e nível de diversidadeAbstract: Information retrieval methods, especially considering multimedia data, have evolved towards the integration of multiple sources of evidence in the analysis of the relevance of items considering a given user search task. In this context, for attenuating the semantic gap between low-level features extracted from the content of the digital objects and high-level semantic concepts (objects, categories, etc.) and making the systems adaptive to different user needs, interactive models have brought the user closer to the retrieval loop allowing user-system interaction mainly through implicit or explicit relevance feedback. Analogously, diversity promotion has emerged as an alternative for tackling ambiguous or underspecified queries. Additionally, several works have addressed the issue of minimizing the required user effort on providing relevance assessments while keeping an acceptable overall effectiveness. This thesis discusses, proposes, and experimentally analyzes multimodal and interactive diversity-oriented information retrieval methods. This work, comprehensively covers the interactive information retrieval literature and also discusses about recent advances, the great research challenges, and promising research opportunities. We have proposed and evaluated two relevance-diversity trade-off enhancement work-flows, which integrate multiple information from images, such as: visual features, textual metadata, geographic information, and user credibility descriptors. In turn, as an integration of interactive retrieval and diversity promotion techniques, for maximizing the coverage of multiple query interpretations/aspects and speeding up the information transfer between the user and the system, we have proposed and evaluated a multimodal learning-to-rank method trained with relevance feedback over diversified results. Our experimental analysis shows that the joint usage of multiple information sources positively impacted the relevance-diversity balancing algorithms. Our results also suggest that the integration of multimodal-relevance-based filtering and reranking was effective on improving result relevance and also boosted diversity promotion methods. Beyond it, with a thorough experimental analysis we have investigated several research questions related to the possibility of improving result diversity and keeping or even improving relevance in interactive search sessions. Moreover, we analyze how much the diversification effort affects overall search session results and how different diversification approaches behave for the different data modalities. By analyzing the overall and per feedback iteration effectiveness, we show that introducing diversity may harm initial results whereas it significantly enhances the overall session effectiveness not only considering the relevance and diversity, but also how early the user is exposed to the same amount of relevant items and diversityDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da ComputaçãoP-4388/2010140977/2012-0CAPESCNP

Cloud-Based Benchmarking of Medical Image Analysis

Medical imagin