Incremental Adversarial Domain Adaptation for Continually Changing Environments

Continuous appearance shifts such as changes in weather and lighting conditions can impact the performance of deployed machine learning models. While unsupervised domain adaptation aims to address this challenge, current approaches do not utilise the continuity of the occurring shifts. In particular, many robotics applications exhibit these conditions and thus facilitate the potential to incrementally adapt a learnt model over minor shifts which integrate to massive differences over time. Our work presents an adversarial approach for lifelong, incremental domain adaptation which benefits from unsupervised alignment to a series of intermediate domains which successively diverge from the labelled source domain. We empirically demonstrate that our incremental approach improves handling of large appearance changes, e.g. day to night, on a traversable-path segmentation task compared with a direct, single alignment step approach. Furthermore, by approximating the feature distribution for the source domain with a generative adversarial network, the deployment module can be rendered fully independent of retaining potentially large amounts of the related source training data for only a minor reduction in performance.Comment: International Conference on Robotics and Automation 201

Bio-Inspired Techniques in a Fully Digital Approach for Lifelong Learning

open3noLifelong learning has deeply underpinned the resilience of biological organisms respect to a constantly changing environment. This flexibility has allowed the evolution of parallel-distributed systems able to merge past information with new stimulus for accurate and efficient brain-computation. Nowadays, there is a strong attempt to reproduce such intelligent systems in standard artificial neural networks (ANNs). However, despite some great results in specific tasks, ANNs still appear too rigid and static in real life respect to the biological systems. Thus, it is necessary to define a new neural paradigm capable of merging the lifelong resilience of biological organisms with the great accuracy of ANNs. Here, we present a digital implementation of a novel mixed supervised-unsupervised neural network capable of performing lifelong learning. The network uses a set of convolutional filters to extract features from the input images of the MNIST and the Fashion-MNIST training datasets. This information defines an original combination of responses of both trained classes and non-trained classes by transfer learning. The responses are then used in the subsequent unsupervised learning based on spike-timing dependent plasticity (STDP). This procedure allows the clustering of non-trained information thanks to bio-inspired algorithms such as neuronal redundancy and spike-frequency adaptation. We demonstrate the implementation of the neural network in a fully digital environment, such as the Xilinx Zynq-7000 System on Chip (SoC). We illustrate a user-friendly interface to test the network by choosing the number and the type of the non-trained classes, or drawing a custom pattern on a tablet. Finally, we propose a comparison of this work with networks based on memristive synaptic devices capable of continual learning, highlighting the main differences and capabilities respect to a fully digital approach.openBianchi S.; MUÑOZ MARTÍN IRENE; Ielmini D.Bianchi, S.; MUÑOZ MARTÍN, Irene; Ielmini, D

A Concept for Deployment and Evaluation of Unsupervised Domain Adaptation in Cognitive Perception Systems

Jüngste Entwicklungen im Bereich des tiefen Lernens ermöglichen Perzeptionssystemen datengetrieben Wissen über einen vordefinierten Betriebsbereich, eine sogenannte Domäne, zu gewinnen. Diese Verfahren des überwachten Lernens werden durch das Aufkommen groß angelegter annotierter Datensätze und immer leistungsfähigerer Prozessoren vorangetrieben und zeigen unübertroffene Performanz bei Perzeptionsaufgaben in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen.Jedoch sind überwacht-trainierte neuronale Netze durch die Menge an verfügbaren annotierten Daten limitiert und dies wiederum findet in einem begrenzten Betriebsbereich Ausdruck. Dabei beruht überwachtes Lernen stark auf manuell durchzuführender Datenannotation. Insbesondere durch die ständig steigende Verfügbarkeit von nicht annotierten großen Datenmengen ist der Gebrauch von unüberwachter Domänenanpassung entscheidend. Verfahren zur unüberwachten Domänenanpassung sind meist nicht geeignet, um eine notwendige Inbetriebnahme des neuronalen Netzes in einer zusätzlichen Domäne zu gewährleisten. Darüber hinaus sind vorhandene Metriken häufig unzureichend für eine auf die Anwendung der domänenangepassten neuronalen Netzen ausgerichtete Validierung. Der Hauptbeitrag der vorliegenden Dissertation besteht aus neuen Konzepten zur unüberwachten Domänenanpassung. Basierend auf einer Kategorisierung von Domänenübergängen und a priori verfügbaren Wissensrepräsentationen durch ein überwacht-trainiertes neuronales Netz wird eine unüberwachte Domänenanpassung auf nicht annotierten Daten ermöglicht. Um die kontinuierliche Bereitstellung von neuronalen Netzen für die Anwendung in der Perzeption zu adressieren, wurden neuartige Verfahren speziell für die unüberwachte Erweiterung des Betriebsbereichs eines neuronalen Netzes entwickelt. Beispielhafte Anwendungsfälle des Fahrzeugsehens zeigen, wie die neuartigen Verfahren kombiniert mit neu entwickelten Metriken zur kontinuierlichen Inbetriebnahme von neuronalen Netzen auf nicht annotierten Daten beitragen. Außerdem werden die Implementierungen aller entwickelten Verfahren und Algorithmen dargestellt und öffentlich zugänglich gemacht. Insbesondere wurden die neuartigen Verfahren erfolgreich auf die unüberwachte Domänenanpassung, ausgehend von der Tag- auf die Nachtobjekterkennung im Bereich des Fahrzeugsehens angewendet