From insights to innovations : data mining, visualization, and user interfaces

This thesis is about data mining (DM) and visualization methods for gaining insight into multidimensional data. Novel, exploratory data analysis tools and adaptive user interfaces are developed by tailoring and combining existing DM and visualization methods in order to advance in different applications. The thesis presents new visual data mining (VDM) methods that are also implemented in software toolboxes and applied to industrial and biomedical signals: First, we propose a method that has been applied to investigating industrial process data. The self-organizing map (SOM) is combined with scatterplots using the traditional color linking or interactive brushing. The original contribution is to apply color linked or brushed scatterplots and the SOM to visually survey local dependencies between a pair of attributes in different parts of the SOM. Clusters can be visualized on a SOM with different colors, and we also present how a color coding can be automatically obtained by using a proximity preserving projection of the SOM model vectors. Second, we present a new method for an (interactive) visualization of cluster structures in a SOM. By using a contraction model, the regular grid of a SOM visualization is smoothly changed toward a presentation that shows better the proximities in the data space. Third, we propose a novel VDM method for investigating the reliability of estimates resulting from a stochastic independent component analysis (ICA) algorithm. The method can be extended also to other problems of similar kind. As a benchmarking task, we rank independent components estimated on a biomedical data set recorded from the brain and gain a reasonable result. We also utilize DM and visualization for mobile-awareness and personalization. We explore how to infer information about the usage context from features that are derived from sensory signals. The signals originate from a mobile phone with on-board sensors for ambient physical conditions. In previous studies, the signals are transformed into descriptive (fuzzy or binary) context features. In this thesis, we present how the features can be transformed into higher-level patterns, contexts, by rather simple statistical methods: we propose and test using minimum-variance cost time series segmentation, ICA, and principal component analysis (PCA) for this purpose. Both time-series segmentation and PCA revealed meaningful contexts from the features in a visual data exploration. We also present a novel type of adaptive soft keyboard where the aim is to obtain an ergonomically better, more comfortable keyboard. The method starts from some conventional keypad layout, but it gradually shifts the keys into new positions according to the user's grasp and typing pattern. Related to the applications, we present two algorithms that can be used in a general context: First, we describe a binary mixing model for independent binary sources. The model resembles the ordinary ICA model, but the summation is replaced by the Boolean operator OR and the multiplication by AND. We propose a new, heuristic method for estimating the binary mixing matrix and analyze its performance experimentally. The method works for signals that are sparse enough. We also discuss differences on the results when using different objective functions in the FastICA estimation algorithm. Second, we propose "global iterative replacement" (GIR), a novel, greedy variant of a merge-split segmentation method. Its performance compares favorably to that of the traditional top-down binary split segmentation algorithm.reviewe

Using blind image filtering for images from TEM microscopes

Předložená práce se zabývá problematikou slepé filtrace obrazů z transmisního elektronového mikroskopu. V úvodu práce je uveden popis transmisního elektronového mikroskopu. Navazující část popisuje mechanismy interakce elektronů se zkoumaným vzorkem a z toho vyplývající zobrazovací techniky elektronové mikroskopie. Poslední kapitola teoretické části práce zahrnuje popis vybraných metod slepé filtrace obrazu zejména s využitím dekompozice obrazu na charakteristické složky. Taktéž je zde uveden výčet metod pro zhodnocení úspěšnosti filtrace. V praktické části jsou popsány aplikované metody slepé filtrace obrazů a výsledky filtrování. Jednotlivé metody jsou mezi sebou porovnány. Získané výsledky a využitelnost aplikovaných metod jsou zhodnoceny v diskuzi.This work deals with the blind filtration of the images from the transmission electron microscope. At the beginning of this work there is a basic description of the transmission electron microscope. Following part describes the mechanisms of electron interactions with the observed specimen. Description of basic electron microscopy imaging techniques is included. The last chapter of the theoretical part includes the description of several chosen blind image filtration techniques, especially those using the decomposition of the image into characteristic components. It also contains a summary of methods for evaluation the filtration effectiveness. The practical part focuses on a description of applied blind filtering methods and brings the results of the filtration. Individual methods are compared. In conclusion, the obtained results and usability of the applied methods are discussed.

Adaptive Methods for Robust Document Image Understanding

A vast amount of digital document material is continuously being produced as part of major digitization efforts around the world. In this context, generic and efficient automatic solutions for document image understanding represent a stringent necessity. We propose a generic framework for document image understanding systems, usable for practically any document types available in digital form. Following the introduced workflow, we shift our attention to each of the following processing stages in turn: quality assurance, image enhancement, color reduction and binarization, skew and orientation detection, page segmentation and logical layout analysis. We review the state of the art in each area, identify current defficiencies, point out promising directions and give specific guidelines for future investigation. We address some of the identified issues by means of novel algorithmic solutions putting special focus on generality, computational efficiency and the exploitation of all available sources of information. More specifically, we introduce the following original methods: a fully automatic detection of color reference targets in digitized material, accurate foreground extraction from color historical documents, font enhancement for hot metal typesetted prints, a theoretically optimal solution for the document binarization problem from both computational complexity- and threshold selection point of view, a layout-independent skew and orientation detection, a robust and versatile page segmentation method, a semi-automatic front page detection algorithm and a complete framework for article segmentation in periodical publications. The proposed methods are experimentally evaluated on large datasets consisting of real-life heterogeneous document scans. The obtained results show that a document understanding system combining these modules is able to robustly process a wide variety of documents with good overall accuracy

Interactive models for latent information discovery in satellite images

The recent increase in Earth Observation (EO) missions has resulted in unprecedented volumes of multi-modal data to be processed, understood, used and stored in archives. The advanced capabilities of satellite sensors become useful only when translated into accurate, focused information, ready to be used by decision makers from various fields. Two key problems emerge when trying to bridge the gap between research, science and multi-user platforms: (1) The current systems for data access permit only queries by geographic location, time of acquisition, type of sensor, but this information is often less important than the latent, conceptual content of the scenes; (2) simultaneously, many new applications relying on EO data require the knowledge of complex image processing and computer vision methods for understanding and extracting information from the data. This dissertation designs two important concept modules of a theoretical image information mining (IIM) system for EO: semantic knowledge discovery in large databases and data visualization techniques. These modules allow users to discover and extract relevant conceptual information directly from satellite images and generate an optimum visualization for this information. The first contribution of this dissertation brings a theoretical solution that bridges the gap and discovers the semantic rules between the output of state-of-the-art classification algorithms and the semantic, human-defined, manually-applied terminology of cartographic data. The set of rules explain in latent, linguistic concepts the contents of satellite images and link the low-level machine language to the high-level human understanding. The second contribution of this dissertation is an adaptive visualization methodology used to assist the image analyst in understanding the satellite image through optimum representations and to offer cognitive support in discovering relevant information in the scenes. It is an interactive technique applied to discover the optimum combination of three spectral features of a multi-band satellite image that enhance visualization of learned targets and phenomena of interest. The visual mining module is essential for an IIM system because all EO-based applications involve several steps of visual inspection and the final decision about the information derived from satellite data is always made by a human operator. To ensure maximum correlation between the requirements of the analyst and the possibilities of the computer, the visualization tool models the human visual system and secures that a change in the image space is equivalent to a change in the perception space of the operator. This thesis presents novel concepts and methods that help users access and discover latent information in archives and visualize satellite scenes in an interactive, human-centered and information-driven workflow.Der aktuelle Anstieg an Erdbeobachtungsmissionen hat zu einem Anstieg von multi-modalen Daten geführt die verarbeitet, verstanden, benutzt und in Archiven gespeichert werden müssen. Die erweiterten Fähigkeiten von Satellitensensoren sind nur dann von Entscheidungstraegern nutzbar, wenn sie in genaue, fokussierte Information liefern. Es bestehen zwei Schlüsselprobleme beim Versuch die Lücke zwischen Forschung, Wissenschaft und Multi-User-Systeme zu füllen: (1) Die aktuellen Systeme für Datenzugriffe erlauben nur Anfragen basierend auf geografischer Position, Aufzeichnungszeit, Sensortyp. Aber diese Informationen sind oft weniger wichtig als der latente, konzeptuelle Inhalt der Szenerien. (2) Viele neue Anwendungen von Erdbeobachtungsdaten benötigen Wissen über komplexe Bildverarbeitung und Computer Vision Methoden um Information verstehen und extrahieren zu können. Diese Dissertation zeigt zwei wichtige Konzeptmodule eines theoretischen Image Information Mining (IIM) Systems für Erdbeobachtung auf: Semantische Informationsentdeckung in grossen Datenbanken und Datenvisualisierungstechniken. Diese Module erlauben Benutzern das Entdecken und Extrahieren relevanter konzeptioneller Informationen direkt aus Satellitendaten und die Erzeugung von optimalen Visualisierungen dieser Informationen. Der erste Beitrag dieser Dissertation bringt eine theretische Lösung welche diese Lücke überbrückt und entdeckt semantische Regeln zwischen dem Output von state-of-the-art Klassifikationsalgorithmen und semantischer, menschlich definierter, manuell angewendete Terminologie von kartographischen Daten. Ein Satz von Regeln erkläret in latenten, linguistischen Konzepten den Inhalte von Satellitenbildern und verbinden die low-level Maschinensprache mit high-level menschlichen Verstehen. Der zweite Beitrag dieser Dissertation ist eine adaptive Visualisierungsmethode die einem Bildanalysten im Verstehen der Satellitenbilder durch optimale Repräsentation hilft und die kognitive Unterstützung beim Entdecken von relevenanter Informationen in Szenerien bietet. Die Methode ist ein interaktive Technik die angewendet wird um eine optimale Kombination von von drei Spektralfeatures eines Multiband-Satellitenbildes welche die Visualisierung von gelernten Zielen and Phänomenen ermöglichen. Das visuelle Mining-Modul ist essentiell für IIM Systeme da alle erdbeobachtungsbasierte Anwendungen mehrere Schritte von visueller Inspektion benötigen und davon abgeleitete Informationen immer vom Operator selbst gemacht werden müssen. Um eine maximale Korrelation von Anforderungen des Analysten und den Möglichkeiten von Computern sicher zu stellen, modelliert das Visualisierungsmodul das menschliche Wahrnehmungssystem und stellt weiters sicher, dass eine Änderung im Bildraum äquivalent zu einer Änderung der Wahrnehmung durch den Operator ist. Diese These präsentieret neuartige Konzepte und Methoden, die Anwendern helfen latente Informationen in Archiven zu finden und visualisiert Satellitenszenen in einem interaktiven, menschlich zentrierten und informationsgetriebenen Arbeitsprozess

Computational Methods for Cognitive and Cooperative Robotics

In the last decades design methods in control engineering made substantial progress in the areas of robotics and computer animation. Nowadays these methods incorporate the newest developments in machine learning and artificial intelligence. But the problems of flexible and online-adaptive combinations of motor behaviors remain challenging for human-like animations and for humanoid robotics. In this context, biologically-motivated methods for the analysis and re-synthesis of human motor programs provide new insights in and models for the anticipatory motion synthesis. This thesis presents the author’s achievements in the areas of cognitive and developmental robotics, cooperative and humanoid robotics and intelligent and machine learning methods in computer graphics. The first part of the thesis in the chapter “Goal-directed Imitation for Robots” considers imitation learning in cognitive and developmental robotics. The work presented here details the author’s progress in the development of hierarchical motion recognition and planning inspired by recent discoveries of the functions of mirror-neuron cortical circuits in primates. The overall architecture is capable of ‘learning for imitation’ and ‘learning by imitation’. The complete system includes a low-level real-time capable path planning subsystem for obstacle avoidance during arm reaching. The learning-based path planning subsystem is universal for all types of anthropomorphic robot arms, and is capable of knowledge transfer at the level of individual motor acts. Next, the problems of learning and synthesis of motor synergies, the spatial and spatio-temporal combinations of motor features in sequential multi-action behavior, and the problems of task-related action transitions are considered in the second part of the thesis “Kinematic Motion Synthesis for Computer Graphics and Robotics”. In this part, a new approach of modeling complex full-body human actions by mixtures of time-shift invariant motor primitives in presented. The online-capable full-body motion generation architecture based on dynamic movement primitives driving the time-shift invariant motor synergies was implemented as an online-reactive adaptive motion synthesis for computer graphics and robotics applications. The last chapter of the thesis entitled “Contraction Theory and Self-organized Scenarios in Computer Graphics and Robotics” is dedicated to optimal control strategies in multi-agent scenarios of large crowds of agents expressing highly nonlinear behaviors. This last part presents new mathematical tools for stability analysis and synthesis of multi-agent cooperative scenarios.In den letzten Jahrzehnten hat die Forschung in den Bereichen der Steuerung und Regelung komplexer Systeme erhebliche Fortschritte gemacht, insbesondere in den Bereichen Robotik und Computeranimation. Die Entwicklung solcher Systeme verwendet heutzutage neueste Methoden und Entwicklungen im Bereich des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz. Die flexible und echtzeitfähige Kombination von motorischen Verhaltensweisen ist eine wesentliche Herausforderung für die Generierung menschenähnlicher Animationen und in der humanoiden Robotik. In diesem Zusammenhang liefern biologisch motivierte Methoden zur Analyse und Resynthese menschlicher motorischer Programme neue Erkenntnisse und Modelle für die antizipatorische Bewegungssynthese. Diese Dissertation präsentiert die Ergebnisse der Arbeiten des Autors im Gebiet der kognitiven und Entwicklungsrobotik, kooperativer und humanoider Robotersysteme sowie intelligenter und maschineller Lernmethoden in der Computergrafik. Der erste Teil der Dissertation im Kapitel “Zielgerichtete Nachahmung für Roboter” behandelt das Imitationslernen in der kognitiven und Entwicklungsrobotik. Die vorgestellten Arbeiten beschreiben neue Methoden für die hierarchische Bewegungserkennung und -planung, die durch Erkenntnisse zur Funktion der kortikalen Spiegelneuronen-Schaltkreise bei Primaten inspiriert wurden. Die entwickelte Architektur ist in der Lage, ‘durch Imitation zu lernen’ und ‘zu lernen zu imitieren’. Das komplette entwickelte System enthält ein echtzeitfähiges Pfadplanungssubsystem zur Hindernisvermeidung während der Durchführung von Armbewegungen. Das lernbasierte Pfadplanungssubsystem ist universell und für alle Arten von anthropomorphen Roboterarmen in der Lage, Wissen auf der Ebene einzelner motorischer Handlungen zu übertragen. Im zweiten Teil der Arbeit “Kinematische Bewegungssynthese für Computergrafik und Robotik” werden die Probleme des Lernens und der Synthese motorischer Synergien, d.h. von räumlichen und räumlich-zeitlichen Kombinationen motorischer Bewegungselemente bei Bewegungssequenzen und bei aufgabenbezogenen Handlungs übergängen behandelt. Es wird ein neuer Ansatz zur Modellierung komplexer menschlicher Ganzkörperaktionen durch Mischungen von zeitverschiebungsinvarianten Motorprimitiven vorgestellt. Zudem wurde ein online-fähiger Synthesealgorithmus für Ganzköperbewegungen entwickelt, der auf dynamischen Bewegungsprimitiven basiert, die wiederum auf der Basis der gelernten verschiebungsinvarianten Primitive konstruiert werden. Dieser Algorithmus wurde für verschiedene Probleme der Bewegungssynthese für die Computergrafik- und Roboteranwendungen implementiert. Das letzte Kapitel der Dissertation mit dem Titel “Kontraktionstheorie und selbstorganisierte Szenarien in der Computergrafik und Robotik” widmet sich optimalen Kontrollstrategien in Multi-Agenten-Szenarien, wobei die Agenten durch eine hochgradig nichtlineare Kinematik gekennzeichnet sind. Dieser letzte Teil präsentiert neue mathematische Werkzeuge für die Stabilitätsanalyse und Synthese von kooperativen Multi-Agenten-Szenarien