BUOCA: Budget-Optimized Crowd Worker Allocation

Due to concerns about human error in crowdsourcing, it is standard practice to collect labels for the same data point from multiple internet workers. We here show that the resulting budget can be used more effectively with a flexible worker assignment strategy that asks fewer workers to analyze easy-to-label data and more workers to analyze data that requires extra scrutiny. Our main contribution is to show how the allocations of the number of workers to a task can be computed optimally based on task features alone, without using worker profiles. Our target tasks are delineating cells in microscopy images and analyzing the sentiment toward the 2016 U.S. presidential candidates in tweets. We first propose an algorithm that computes budget-optimized crowd worker allocation (BUOCA). We next train a machine learning system (BUOCA-ML) that predicts an optimal number of crowd workers needed to maximize the accuracy of the labeling. We show that the computed allocation can yield large savings in the crowdsourcing budget (up to 49 percent points) while maintaining labeling accuracy. Finally, we envisage a human-machine system for performing budget-optimized data analysis at a scale beyond the feasibility of crowdsourcing.First author draf

BUOCA: Budget-Optimized Crowd Worker Allocation

Due to concerns about human error in crowdsourcing, it is standard practice to collect labels for the same data point from multiple internet workers. We here show that the resulting budget can be used more effectively with a flexible worker assignment strategy that asks fewer workers to analyze easy-to-label data and more workers to analyze data that requires extra scrutiny. Our main contribution is to show how the allocations of the number of workers to a task can be computed optimally based on task features alone, without using worker profiles. Our target tasks are delineating cells in microscopy images and analyzing the sentiment toward the 2016 U.S. presidential candidates in tweets. We first propose an algorithm that computes budget-optimized crowd worker allocation (BUOCA). We next train a machine learning system (BUOCA-ML) that predicts an optimal number of crowd workers needed to maximize the accuracy of the labeling. We show that the computed allocation can yield large savings in the crowdsourcing budget (up to 49 percent points) while maintaining labeling accuracy. Finally, we envisage a human-machine system for performing budget-optimized data analysis at a scale beyond the feasibility of crowdsourcing

O impacto da qualidade das anotações na aprendizagem profunda para a segmentação de lesões de pele

Orientador: Eduardo Alves do Valle JuniorDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Todos os anos, o Instituto Nacional do Câncer, no Brasil, registra mais de 150.000 novos casos de câncer de pele, configurando um problema real no sistema de saúde pública do país. O câncer de pele se desenvolve de maneiras diferentes, o mais comum é o carcinoma das células basais, mas o melanoma é o mais perigoso, com a maior taxa de mortalidade. As chances de cura diminuem com a maturidade da doença. Nesse cenário, métodos automáticos de triagem de lesões de pele são uma esperança para aumentar a detecção precoce e melhorar a expectativa de vida dos pacientes de câncer. Nesse estudo, nós endereçamos uma das principais tarefas do pipeline de deteção de câncer de pele: a segmentação das lesões de pele. Essa tarefa por si só é bastante desafiadora na perspectiva de visão computacional. Conjuntos de dados públicos não são tão extensos como para outros domínios de imagem e as anotações das imagens não são ótimas. Esses problemas têm um impacto real na performance do modelo e na sua capacidade de generalização. Ao longo desse trabalho, nós desejamos atacar a segunda questão, a qualidade das anotações das imagens. Nós analisamos as estatísticas de concordância entre anotadores no conjunto de dados de lesões de pele público mais famoso disponível e desenvolvemos algumas conclusões sobre as anotações disponíveis. Então, nós propusemos uma série de condicionamentos a serem aplicados nos dados de treino para avaliar como eles melhoram a concordância entre diferentes especialistas. Finalmente, nós analisamos como os condicionamentos afetam o treino e a avaliação de redes neurais profundas para a tarefa de segmentação de lesões de pele. Nossas conclusões sugerem que a baixa concordância entre anotadores presente no conjunto de dados ISIC Archive tem um impacto expressivo na performance dos modelos treinados, e considerar essa discordância pode, de fato, melhorar as capacidades de generalização das redesAbstract: Every year, the National Institute of Cancer, in Brazil, registers more than 150,000 new cases of skin cancer, making it a real issue in the country's public health system. Skin cancer evolves in different manners, the most common is the basal cell carcinoma, but melanoma is the most dangerous, with the highest mortality rate. The probability of cure decreases with the matureness of the disease. In this scenario, automatic methods for skin lesion triage is hope for boosting early detection and increasing the life expectancy of cancer patients. In this study, we address one of the main subjects of the skin cancer detection pipeline: skin lesion segmentation. The task itself is challenging from the computer vision perspective. Public data sets are not as large as for other image domains, and the annotations are not optimal. These problems have a real impact on the model's performance and capability to generalize. Along with our work, we aim to tackle the second issue, the quality of image ground truths. We analyze the inter-annotator agreement statistics inside the most popular skin lesion dataset public available and draw some conclusions about the available annotations. Then, we propose a series of conditioning to apply in the training data to evaluate how they improve the agreement between different specialists. Finally, we analyze how the conditionings affect the training and evaluation of deep neural networks for the skin lesion segmentation task. Our conclusions show that the low inter-annotator agreement available in the ISIC Archive dataset has a meaningful impact in the performance of trained models and taking the disagreement into account can indeed improve the generalization capability of the networksMestradoEngenharia de ComputaçãoMestre em Engenharia Elétric

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