棄却付き多クラス分類問題の包括的研究

University of Tokyo(東京大学

How can humans leverage machine learning? From Medical Data Wrangling to Learning to Defer to Multiple Experts

Mención Internacional en el título de doctorThe irruption of the smartphone into everyone’s life and the ease with which we digitise or record any data supposed an explosion of quantities of data. Smartphones, equipped with advanced cameras and sensors, have empowered individuals to capture moments and contribute to the growing pool of data. This data-rich landscape holds great promise for research, decision-making, and personalized applications. By carefully analyzing and interpreting this wealth of information, valuable insights, patterns, and trends can be uncovered. However, big data is worthless in a vacuum. Its potential value is unlocked only when leveraged to drive decision-making. In recent times we have been participants of the outburst of artificial intelligence: the development of computer systems and algorithms capable of perceiving, reasoning, learning, and problem-solving, emulating certain aspects of human cognitive abilities. Nevertheless, our focus tends to be limited, merely skimming the surface of the problem, while the reality is that the application of machine learning models to data introduces is usually fraught. More specifically, there are two crucial pitfalls frequently neglected in the field of machine learning: the quality of the data and the erroneous assumption that machine learning models operate autonomously. These two issues have established the foundation for the motivation driving this thesis, which strives to offer solutions to two major associated challenges: 1) dealing with irregular observations and 2) learning when and who should we trust. The first challenge originates from our observation that the majority of machine learning research primarily concentrates on handling regular observations, neglecting a crucial technological obstacle encountered in practical big-data scenarios: the aggregation and curation of heterogeneous streams of information. Before applying machine learning algorithms, it is crucial to establish robust techniques for handling big data, as this specific aspect presents a notable bottleneck in the creation of robust algorithms. Data wrangling, which encompasses the extraction, integration, and cleaning processes necessary for data analysis, plays a crucial role in this regard. Therefore, the first objective of this thesis is to tackle the frequently disregarded challenge of addressing irregularities within the context of medical data. We will focus on three specific aspects. Firstly, we will tackle the issue of missing data by developing a framework that facilitates the imputation of missing data points using relevant information derived from alternative data sources or past observations. Secondly, we will move beyond the assumption of homogeneous observations, where only one statistical data type (such as Gaussian) is considered, and instead, work with heterogeneous observations. This means that different data sources can be represented by various statistical likelihoods, such as Gaussian, Bernoulli, categorical, etc. Lastly, considering the temporal enrichment of todays collected data and our focus on medical data, we will develop a novel algorithm capable of capturing and propagating correlations among different data streams over time. All these three problems are addressed in our first contribution which involves the development of a novel method based on Deep Generative Models (DGM) using Variational Autoencoders (VAE). The proposed model, the Sequential Heterogeneous Incomplete VAE (Shi- VAE), enables the aggregation of multiple heterogeneous data streams in a modular manner, taking into consideration the presence of potential missing data. To demonstrate the feasibility of our approach, we present proof-of-concept results obtained from a real database generated through continuous passive monitoring of psychiatric patients. Our second challenge relates to the misbelief that machine learning algorithms can perform independently. However, this notion that AI systems can solely account for automated decisionmaking, especially in critical domains such as healthcare, is far from reality. Our focus now shifts towards a specific scenario where the algorithm has the ability to make predictions independently or alternatively defer the responsibility to a human expert. The purpose of including the human is not to obtain jsut better performance, but also more reliable and trustworthy predictions we can rely on. In reality, however, important decisions are not made by one person but are usually committed by an ensemble of human experts. With this in mind, two important questions arise: 1) When should the human or the machine bear responsibility and 2) among the experts, who should we trust? To answer the first question, we will employ a recent theory known as Learning to defer (L2D). In L2D we are not only interested in abstaining from prediction but also in understanding the humans confidence for making such prediction. thus deferring only when the human is more likely to be correct. The second question about who to defer among a pool of experts has not been yet answered in the L2D literature, and this is what our contributions aim to provide. First, we extend the two yet proposed consistent surrogate losses in the L2D literature to the multiple-expert setting. Second, we study the frameworks ability to estimate the probability that a given expert correctly predicts and assess whether the two surrogate losses are confidence calibrated. Finally, we propose a conformal inference technique that chooses a subset of experts to query when the system defers. Ensembling experts based on confidence levels is vital to optimize human-machine collaboration. In conclusion, this doctoral thesis has investigated two cases where humans can leverage the power of machine learning: first, as a tool to assist in data wrangling and data understanding problems and second, as a collaborative tool where decision-making can be automated by the machine or delegated to human experts, fostering more transparent and trustworthy solutions.La irrupción de los smartphones en la vida de todos y la facilidad con la que digitalizamos o registramos cualquier situación ha supuesto una explosión en la cantidad de datos. Los teléfonos, equipados con cámaras y sensores avanzados, han contribuido a que las personas puedann capturar más momentos, favoreciendo así el creciente conjunto de datos. Este panorama repleto de datos aporta un gran potencial de cara a la investigación, la toma de decisiones y las aplicaciones personalizadas. Mediante el análisis minucioso y una cuidada interpretación de esta abundante información, podemos descubrir valiosos patrones, tendencias y conclusiones Sin embargo, este gran volumen de datos no tiene valor por si solo. Su potencial se desbloquea solo cuando se aprovecha para impulsar la toma de decisiones. En tiempos recientes, hemos sido testigos del auge de la inteligencia artificial: el desarrollo de sistemas informáticos y algoritmos capaces de percibir, razonar, aprender y resolver problemas, emulando ciertos aspectos de las capacidades cognitivas humanas. No obstante, solemos centrarnos solo en la superficie del problema mientras que la realidad es que la aplicación de modelos de aprendizaje automático a los datos presenta desafíos significativos. Concretamente, se suelen pasar por alto dos problemas cruciales en el campo del aprendizaje automático: la calidad de los datos y la suposición errónea de que los modelos de aprendizaje automático pueden funcionar de manera autónoma. Estos dos problemas han sido el fundamento de la motivación que impulsa esta tesis, que se esfuerza en ofrecer soluciones a dos desafíos importantes asociados: 1) lidiar con datos irregulares y 2) aprender cuándo y en quién debemos confiar. El primer desafío surge de nuestra observación de que la mayoría de las investigaciones en aprendizaje automático se centran principalmente en manejar datos regulares, descuidando un obstáculo tecnológico crucial que se encuentra en escenarios prácticos con gran cantidad de datos: la agregación y el curado de secuencias heterogéneas. Antes de aplicar algoritmos de aprendizaje automático, es crucial establecer técnicas robustas para manejar estos datos, ya que est problemática representa un cuello de botella claro en la creación de algoritmos robustos. El procesamiento de datos (en concreto, nos centraremos en el término inglés data wrangling), que abarca los procesos de extracción, integración y limpieza necesarios para el análisis de datos, desempeña un papel crucial en este sentido. Por lo tanto, el primer objetivo de esta tesis es abordar el desafío normalmente paso por alto de tratar datos irregulare. Específicamente, bajo el contexto de datos médicos. Nos centraremos en tres aspectos principales. En primer lugar, abordaremos el problema de los datos perdidos mediante el desarrollo de un marco que facilite la imputación de estos datos perdidos utilizando información relevante obtenida de fuentes de datos de diferente naturalaeza u observaciones pasadas. En segundo lugar, iremos más allá de la suposición de lidiar con observaciones homogéneas, donde solo se considera un tipo de dato estadístico (como Gaussianos) y, en su lugar, trabajaremos con observaciones heterogéneas. Esto significa que diferentes fuentes de datos pueden estar representadas por diversas distribuciones de probabilidad, como Gaussianas, Bernoulli, categóricas, etc. Por último, teniendo en cuenta el enriquecimiento temporal de los datos hoy en día y nuestro enfoque directo sobre los datos médicos, propondremos un algoritmo innovador capaz de capturar y propagar la correlación entre diferentes flujos de datos a lo largo del tiempo. Todos estos tres problemas se abordan en nuestra primera contribución, que implica el desarrollo de un método basado en Modelos Generativos Profundos (Deep Genarative Model en inglés) utilizando Autoencoders Variacionales (Variational Autoencoders en ingés). El modelo propuesto, Sequential Heterogeneous Incomplete VAE (Shi-VAE), permite la agregación de múltiples flujos de datos heterogéneos de manera modular, teniendo en cuenta la posible presencia de datos perdidos. Para demostrar la viabilidad de nuestro enfoque, presentamos resultados de prueba de concepto obtenidos de una base de datos real generada a través del monitoreo continuo pasivo de pacientes psiquiátricos. Nuestro segundo desafío está relacionado con la creencia errónea de que los algoritmos de aprendizaje automático pueden funcionar de manera independiente. Sin embargo, esta idea de que los sistemas de inteligencia artificial pueden ser los únicos responsables en la toma de decisione, especialmente en dominios críticos como la atención médica, está lejos de la realidad. Ahora, nuestro enfoque se centra en un escenario específico donde el algoritmo tiene la capacidad de realizar predicciones de manera independiente o, alternativamente, delegar la responsabilidad en un experto humano. La inclusión del ser humano no solo tiene como objetivo obtener un mejor rendimiento, sino también obtener predicciones más transparentes y seguras en las que podamos confiar. En la realidad, sin embargo, las decisiones importantes no las toma una sola persona, sino que generalmente son el resultado de la colaboración de un conjunto de expertos. Con esto en mente, surgen dos preguntas importantes: 1) ¿Cuándo debe asumir la responsabilidad el ser humano o cuándo la máquina? y 2) de entre los expertos, ¿en quién debemos confiar? Para responder a la primera pregunta, emplearemos una nueva teoría llamada Learning to defer (L2D). En L2D, no solo estamos interesados en abstenernos de hacer predicciones, sino también en comprender cómo de seguro estará el experto para hacer dichas predicciones, diferiendo solo cuando el humano sea más probable en predecir correcatmente. La segunda pregunta sobre a quién deferir entre un conjunto de expertos aún no ha sido respondida en la literatura de L2D, y esto es precisamente lo que nuestras contribuciones pretenden proporcionar. En primer lugar, extendemos las dos primeras surrogate losses consistentes propuestas hasta ahora en la literatura de L2D al contexto de múltiples expertos. En segundo lugar, estudiamos la capacidad de estos modelos para estimar la probabilidad de que un experto dado haga predicciones correctas y evaluamos si estas surrogate losses están calibradas en términos de confianza. Finalmente, proponemos una técnica de conformal inference que elige un subconjunto de expertos para consultar cuando el sistema decide diferir. Esta combinación de expertos basada en los respectivos niveles de confianza es fundamental para optimizar la colaboración entre humanos y máquinas En conclusión, esta tesis doctoral ha investigado dos casos en los que los humanos pueden aprovechar el poder del aprendizaje automático: primero, como herramienta para ayudar en problemas de procesamiento y comprensión de datos y, segundo, como herramienta colaborativa en la que la toma de decisiones puede ser automatizada para ser realizada por la máquina o delegada a expertos humanos, fomentando soluciones más transparentes y seguras.Programa de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan CarlosPresidente: Joaquín Míguez Arenas.- Secretario: Juan José Murillo Fuentes.- Vocal: Mélanie Natividad Fernández Pradie

Remote sensing data quality model: from data sources to lifecycle phases

ABSTRACTThe importance of data quality assessment has significantly increased with the boom of information technology and the growing demand for remote sensing (RS) data. The Remote Sensing Data Qu..

Theoretical Foundations of Adversarially Robust Learning

Despite extraordinary progress, current machine learning systems have been shown to be brittle against adversarial examples: seemingly innocuous but carefully crafted perturbations of test examples that cause machine learning predictors to misclassify. Can we learn predictors robust to adversarial examples? and how? There has been much empirical interest in this contemporary challenge in machine learning, and in this thesis, we address it from a theoretical perspective. In this thesis, we explore what robustness properties can we hope to guarantee against adversarial examples and develop an understanding of how to algorithmically guarantee them. We illustrate the need to go beyond traditional approaches and principles such as empirical risk minimization and uniform convergence, and make contributions that can be categorized as follows: (1) introducing problem formulations capturing aspects of emerging practical challenges in robust learning, (2) designing new learning algorithms with provable robustness guarantees, and (3) characterizing the complexity of robust learning and fundamental limitations on the performance of any algorithm.Comment: PhD Thesi

Fish4Knowledge: Collecting and Analyzing Massive Coral Reef Fish Video Data

This book gives a start-to-finish overview of the whole Fish4Knowledge project, in 18 short chapters, each describing one aspect of the project. The Fish4Knowledge project explored the possibilities of big video data, in this case from undersea video. Recording and analyzing 90 thousand hours of video from ten camera locations, the project gives a 3 year view of fish abundance in several tropical coral reefs off the coast of Taiwan. The research system built a remote recording network, over 100 Tb of storage, supercomputer processing, video target detection and

Cryptographic approaches to security and optimization in machine learning

Modern machine learning techniques have achieved surprisingly good standard test accuracy, yet classical machine learning theory has been unable to explain the underlying reason behind this success. The phenomenon of adversarial examples further complicates our understanding of what it means to have good generalization ability. Classifiers that generalize well to the test set are easily fooled by imperceptible image modifications, which can often be computed without knowledge of the classifier itself. The adversarial error of a classifier measures the error under which each test data point can be modified by an algorithm before it is given as input to the classifier. Followup work has showed that a tradeoff exists between optimizing for standard generalization error versus for adversarial error. This calls into question whether standard generalization error is the correct metric to measure. We try to understand the generalization capability of modern machine learning techniques through the lens of adversarial examples. To reconcile the apparent tradeoff between the two competing notions of error, we create new security definitions and classifier constructions which allow us to prove an upper bound on the adversarial error that decreases as standard test error decreases. We introduce a cryptographic proof technique by defining a security assumption in a simpler attack setting and proving a security reduction from a restricted black-box attack problem to this security assumption. We then investigate the double descent curve in the interpolation regime, where test error can continue to decrease even after training error has reached zero, to give a natural explanation for the observed tradeoff between adversarial error and standard generalization error. The second part of our work investigates further this notion of a black-box model by looking at the separation between being able to evaluate a function and being able to actually understand it. This is formalized through the notion of function obfuscation in cryptography. Given some concrete implementation of a function, the implementation is considered obfuscated if a user cannot produce the function output on a test input without querying the implementation itself. This means that a user cannot actually learn or understand the function even though all of the implementation details are presented in the clear. As expected this is a very strong requirement that does not exist for all functions one might be interested in. In our work we make progress on providing obfuscation schemes for simple, explicit function classes. The last part of our work investigates non-statistical biases and algorithms for nonconvex optimization problems. We show that the continuous-time limit of stochastic gradient descent does not converge directly to the local optimum, but rather has a bias term which grows with the step size. We also construct novel, non-statistical algorithms for two parametric learning problems by employing lattice basis reduction techniques from cryptography

Label Ranking with Probabilistic Models

Diese Arbeit konzentriert sich auf eine spezielle Prognoseform, das sogenannte Label Ranking. Auf den Punkt gebracht, kann Label Ranking als eine Erweiterung des herkömmlichen Klassifizierungproblems betrachtet werden. Bei einer Anfrage (z. B. durch einen Kunden) und einem vordefinierten Set von Kandidaten Labels (zB AUDI, BMW, VW), wird ein einzelnes Label (zB BMW) zur Vorhersage in der Klassifizierung benötigt, während ein komplettes Ranking aller Label (zB BMW> VW> Audi) für das Label Ranking erforderlich ist. Da Vorhersagen dieser Art, bei vielen Problemen der realen Welt nützlich sind, können Label Ranking-Methoden in mehreren Anwendungen, darunter Information Retrieval, Kundenwunsch Lernen und E-Commerce eingesetzt werden. Die vorliegende Arbeit stellt eine Auswahl an Methoden für Label-Ranking vor, die Maschinelles Lernen mit statistischen Bewertungsmodellen kombiniert. Wir konzentrieren wir uns auf zwei statistische Ranking-Modelle, das Mallows- und das Plackett-Luce-Modell und zwei Techniken des maschinellen Lernens, das Beispielbasierte Lernen und das Verallgemeinernde Lineare Modell