Hierarchical transfer learning for online recognition of compound actions

Recognising human actions in real-time can provide users with a natural user interface (NUI) enabling a range of innovative and immersive applications. A NUI application should not restrict users’ movements; it should allow users to transition between actions in quick succession, which we term as compound actions. However, the majority of action recognition researchers have focused on individual actions, so their approaches are limited to recognising single actions or multiple actions that are temporally separated. This paper proposes a novel online action recognition method for fast detection of compound actions. A key contribution is our hierarchical body model that can be automatically configured to detect actions based on the low level body parts that are the most discriminative for a particular action. Another key contribution is a transfer learning strategy to allow the tasks of action segmentation and whole body modelling to be performed on a related but simpler dataset, combined with automatic hierarchical body model adaption on a more complex target dataset. Experimental results on a challenging and realistic dataset show an improvement in action recognition performance of 16% due to the introduction of our hierarchical transfer learning. The proposed algorithm is fast with an average latency of just 2 frames (66ms) and outperforms state of the art action recognition algorithms that are capable of fast online action recognition

Longitudinal clustering analysis and prediction of Parkinson\u27s disease progression using radiomics and hybrid machine learning

Background: We employed machine learning approaches to (I) determine distinct progression trajectories in Parkinson\u27s disease (PD) (unsupervised clustering task), and (II) predict progression trajectories (supervised prediction task), from early (years 0 and 1) data, making use of clinical and imaging features. Methods: We studied PD-subjects derived from longitudinal datasets (years 0, 1, 2 & 4; Parkinson\u27s Progressive Marker Initiative). We extracted and analyzed 981 features, including motor, non-motor, and radiomics features extracted for each region-of-interest (ROIs: left/right caudate and putamen) using our standardized standardized environment for radiomics analysis (SERA) radiomics software. Segmentation of ROIs on dopamine transposer - single photon emission computed tomography (DAT SPECT) images were performed via magnetic resonance images (MRI). After performing cross-sectional clustering on 885 subjects (original dataset) to identify disease subtypes, we identified optimal longitudinal trajectories using hybrid machine learning systems (HMLS), including principal component analysis (PCA) + K-Means algorithms (KMA) followed by Bayesian information criterion (BIC), Calinski-Harabatz criterion (CHC), and elbow criterion (EC). Subsequently, prediction of the identified trajectories from early year data was performed using multiple HMLSs including 16 Dimension Reduction Algorithms (DRA) and 10 classification algorithms. Results: We identified 3 distinct progression trajectories. Hotelling\u27s t squared test (HTST) showed that the identified trajectories were distinct. The trajectories included those with (I, II) disease escalation (2 trajectories, 27% and 38% of patients) and (III) stable disease (1 trajectory, 35% of patients). For trajectory prediction from early year data, HMLSs including the stochastic neighbor embedding algorithm (SNEA, as a DRA) as well as locally linear embedding algorithm (LLEA, as a DRA), linked with the new probabilistic neural network classifier (NPNNC, as a classifier), resulted in accuracies of 78.4% and 79.2% respectively, while other HMLSs such as SNEA + Lib_SVM (library for support vector machines) and t_SNE (t-distributed stochastic neighbor embedding) + NPNNC resulted in 76.5% and 76.1% respectively. Conclusions: This study moves beyond cross-sectional PD subtyping to clustering of longitudinal disease trajectories. We conclude that combining medical information with SPECT-based radiomics features, and optimal utilization of HMLSs, can identify distinct disease trajectories in PD patients, and enable effective prediction of disease trajectories from early year data

Robust identification of Parkinson\u27s disease subtypes using radiomics and hybrid machine learning

OBJECTIVES: It is important to subdivide Parkinson\u27s disease (PD) into subtypes, enabling potentially earlier disease recognition and tailored treatment strategies. We aimed to identify reproducible PD subtypes robust to variations in the number of patients and features. METHODS: We applied multiple feature-reduction and cluster-analysis methods to cross-sectional and timeless data, extracted from longitudinal datasets (years 0, 1, 2 & 4; Parkinson\u27s Progressive Marker Initiative; 885 PD/163 healthy-control visits; 35 datasets with combinations of non-imaging, conventional-imaging, and radiomics features from DAT-SPECT images). Hybrid machine-learning systems were constructed invoking 16 feature-reduction algorithms, 8 clustering algorithms, and 16 classifiers (C-index clustering evaluation used on each trajectory). We subsequently performed: i) identification of optimal subtypes, ii) multiple independent tests to assess reproducibility, iii) further confirmation by a statistical approach, iv) test of reproducibility to the size of the samples. RESULTS: When using no radiomics features, the clusters were not robust to variations in features, whereas, utilizing radiomics information enabled consistent generation of clusters through ensemble analysis of trajectories. We arrived at 3 distinct subtypes, confirmed using the training and testing process of k-means, as well as Hotelling\u27s T2 test. The 3 identified PD subtypes were 1) mild; 2) intermediate; and 3) severe, especially in terms of dopaminergic deficit (imaging), with some escalating motor and non-motor manifestations. CONCLUSION: Appropriate hybrid systems and independent statistical tests enable robust identification of 3 distinct PD subtypes. This was assisted by utilizing radiomics features from SPECT images (segmented using MRI). The PD subtypes provided were robust to the number of the subjects, and features

Temporal extension of Laplacian Eigenmaps for unsupervised dimensionality reduction of time series

Abstract—A novel non-linear dimensionality reduction method, called Temporal Laplacian Eigenmaps, is introduced to process efficiently time series data. In this embedded-based approach, temporal information is intrinsic to the objective function, which produces description of low dimensional spaces with time coherence between data points. Since the proposed scheme also includes bidirectional mapping between data and embedded spaces and automatic tuning of key parameters, it offers the same benefits as mapping-based approaches. Experiments on a couple of computer vision applications demonstrate the superiority of the new approach to other dimensionality reduction method in term of accuracy. Moreover, its lower computational cost and generalisation abilities suggest it is scalable to larger datasets. Keywords-temporal Laplacian Eigenmap; dimensionality reduction; manifold learning; time-series; human motion I

Visualization and interpretability in probabilistic dimensionality reduction models

Over the last few decades, data analysis has swiftly evolved from being a task addressed mainly within the remit of multivariate statistics, to an endevour in which data heterogeneity, complexity and even sheer size, driven by computational advances, call for alternative strategies, such as those provided by pattern recognition and machine learning. Any data analysis process aims to extract new knowledge from data. Knowledge extraction is not a trivial task and it is not limited to the generation of data models or the recognition of patterns. The use of machine learning techniques for multivariate data analysis should in fact aim to achieve a dual target: interpretability and good performance. At best, both aspects of this target should not conflict with each other. This gap between data modelling and knowledge extraction must be acknowledged, in the sense that we can only extract knowledge from models through a process of interpretation. Exploratory information visualization is becoming a very promising tool for interpretation. When exploring multivariate data through visualization, high data dimensionality can be a big constraint, and the use of dimensionality reduction techniques is often compulsory. The need to find flexible methods for data modelling has led to the development of non-linear dimensionality reduction techniques, and many state-of-the-art approaches of this type fall in the domain of probabilistic modelling. These non-linear techniques can provide a flexible data representation and a more faithful model of the observed data compared to the linear ones, but often at the expense of model interpretability, which has an impact in the model visualization results. In manifold learning non-linear dimensionality reduction methods, when a high-dimensional space is mapped onto a lower-dimensional one, the obtained embedded manifold is subject to local geometrical distortion induced by the non-linear mapping. This kind of distortion can often lead to misinterpretations of the data set structure and of the obtained patterns. It is important to give relevance to the problem of how to quantify and visualize the distortion itself in order to interpret data in a more faithful way. The research reported in this thesis focuses on the development of methods and techniques for explicitly reintroducing the local distortion created by non-linear dimensionality reduction models into the low-dimensional visualization of the data that they produce, as well as in the definition of metrics for probabilistic geometries to address this problem. We do not only provide methods only for static data, but also for multivariate time series. The reintegration of the quantified non-linear distortion into the visualization space of the analysed non-linear dimensionality reduction methods is a goal by itself, but we go beyond it and consider alternative adequate metrics for probabilistic manifold learning. For that, we study the role of \textit{Random geometries}, that is, distributions of manifolds, in machine learning and data analysis in general. Methods for the estimation of distributions of data-supporting Riemannian manifolds as well as algorithms for computing interpolants over distributions of manifolds are defined. Experimental results show that inference made according to the random Riemannian metric leads to a more faithful generation of unobserved data.Durant les últimes dècades, l’anàlisi de dades ha evolucionat ràpidament de ser una tasca dirigida principalment dins de l’àmbit de l’estadística multivariant, a un endevour en el qual l’heterogeneïtat de les dades, la complexitat i la simple grandària, impulsats pels avanços computacionals, exigeixen estratègies alternatives, tals com les previstes en el Reconeixement de Formes i l’Aprenentatge Automàtic. Qualsevol procés d’anàlisi de dades té com a objectiu extreure nou coneixement a partir de les dades. L’extracció de coneixement no és una tasca trivial i no es limita a la generació de models de dades o el reconeixement de patrons. L’ús de tècniques d’aprenentatge automàtic per a l’anàlisi de dades multivariades, de fet, hauria de tractar d’aconseguir un objectiu doble: la interpretabilitat i un bon rendiment. En el millor dels casos els dos aspectes d’aquest objectiu no han d’entrar en conflicte entre sí. S’ha de reconèixer la bretxa entre el modelatge de dades i l’extracció de coneixement, en el sentit que només podem extreure coneixement a partir dels models a través d’un procés d’interpretació. L’exploració de la visualització d’informació s’està convertint en una eina molt prometedora per a la interpretació dels models. Quan s’exploren les dades multivariades a través de la visualització, la gran dimensionalitat de les dades pot ser un obstacle, i moltes vegades és obligatori l’ús de tècniques de reducció de dimensionalitat. La necessitat de trobar mètodes flexibles per al modelatge de dades ha portat al desenvolupament de tècniques de reducció de dimensionalitat no lineals. L’estat de l’art d’aquests enfocaments cau moltes vegades en el domini de la modelització probabilística. Aquestes tècniques no lineals poden proporcionar una representació de les dades flexible i un model de les dades més fidel comparades amb els models lineals, però moltes vegades a costa de la interpretabilitat del model, que té un impacte en els resultats de visualització. En els mètodes d’aprenentatge de varietats amb reducció de dimensionalitat no lineals, quan un espai d’alta dimensió es projecta sobre un altre de dimensió menor, la varietat immersa obtinguda està subjecta a una distorsió geomètrica local induïda per la funció no lineal. Aquest tipus de distorsió pot conduir a interpretacions errònies de l’estructura del conjunt de dades i dels patrons obtinguts. Per això, és important donar rellevància al problema de com quantificar i visualitzar aquesta distorsió en sí, amb la finalitat d’interpretar les dades d’una manera més fidel. La recerca presentada en aquesta tesi se centra en el desenvolupament de mètodes i tècniques per reintroduir de forma explícita a l’espai de visualització la distorsió local creada per la funció no lineal. Aquesta recerca se centra també en la definició de mètriques per a geometries probabilístiques per fer front al problema de la distorsió de la funció en els models de reducció de dimensionalitat no lineals. No proporcionem mètodes només per a les dades estàtiques, sinó també per a sèries temporals multivariades. La reintegració de la distorsió no lineal a l’espai de visualització dels mètodes de reducció de dimensionalitat no lineals analitzats és un objectiu en sí mateix, però aquesta anàlisi va més enllà i considera també les mètriques probabilístiques adequades a l’aprenentatge de varietats probabilístiques. Per això, estudiem el paper de les Geometries Aleatòries (distribucions de les varietats) en Aprenentatge Automàtic i anàlisi de dades en general. Es defineixen aquí els mètodes per a l’estimació de les distribucions de varietats de Riemann de suport a les dades, així com els algorismes per calcular interpolants en les distribucions de varietats. Els resultats experimentals mostren que la inferència feta segons les mètriques de les varietats Riemannianes Aleatòries dóna origen a una generació de les dades observades més fidelDurant les últimes dècades, l'anàlisi de dades ha evolucionat ràpidament de ser una tasca dirigida principalment dins de l'àmbit de l'estadística multivariant, a un endevour en el qual l'heterogeneïtat de les dades, la complexitat i la simple grandària, impulsats pels avanços computacionals, exigeixen estratègies alternatives, tals com les previstes en el Reconeixement de Formes i l'Aprenentatge Automàtic. La recerca presentada en aquesta tesi se centra en el desenvolupament de mètodes i tècniques per reintroduir de forma explícita a l'espai de visualització la distorsió local creada per la funció no lineal. Aquesta recerca se centra també en la definició de mètriques per a geometries probabilístiques per fer front al problema de la distorsió de la funció en els models de reducció de dimensionalitat no lineals. No proporcionem mètodes només per a les dades estàtiques, sinó també per a sèries temporals multivariades. La reintegració de la distorsió no lineal a l'espai de visualització dels mètodes de reducció de dimensionalitat no lineals analitzats és un objectiu en sí mateix, però aquesta anàlisi va més enllà i considera també les mètriques probabilístiques adequades a l'aprenentatge de varietats probabilístiques. Per això, estudiem el paper de les Geometries Aleatòries (distribucions de les varietats) en Aprenentatge Automàtic i anàlisi de dades en general. Es defineixen aquí els mètodes per a l'estimació de les distribucions de varietats de Riemann de suport a les dades, així com els algorismes per calcular interpolants en les distribucions de varietats. Els resultats experimentals mostren que la inferència feta segons les mètriques de les varietats Riemannianes Aleatòries dóna origen a una generació de les dades observades més fidel. Qualsevol procés d'anàlisi de dades té com a objectiu extreure nou coneixement a partir de les dades. L'extracció de coneixement no és una tasca trivial i no es limita a la generació de models de dades o el reconeixement de patrons. L'ús de tècniques d'aprenentatge automàtic per a l'anàlisi de dades multivariades, de fet, hauria de tractar d'aconseguir un objectiu doble: la interpretabilitat i un bon rendiment. En el millor dels casos els dos aspectes d'aquest objectiu no han d'entrar en conflicte entre sí. S'ha de reconèixer la bretxa entre el modelatge de dades i l'extracció de coneixement, en el sentit que només podem extreure coneixement a partir dels models a través d'un procés d'interpretació. L'exploració de la visualització d'informació s'està convertint en una eina molt prometedora per a la interpretació dels models. Quan s'exploren les dades multivariades a través de la visualització, la gran dimensionalitat de les dades pot ser un obstacle, i moltes vegades és obligatori l'ús de tècniques de reducció de dimensionalitat. La necessitat de trobar mètodes flexibles per al modelatge de dades ha portat al desenvolupament de tècniques de reducció de dimensionalitat no lineals. L'estat de l'art d'aquests enfocaments cau moltes vegades en el domini de la modelització probabilística. Aquestes tècniques no lineals poden proporcionar una representació de les dades flexible i un model de les dades més fidel comparades amb els models lineals, però moltes vegades a costa de la interpretabilitat del model, que té un impacte en els resultats de visualització. En els mètodes d'aprenentatge de varietats amb reducció de dimensionalitat no lineals, quan un espai d'alta dimensió es projecta sobre un altre de dimensió menor, la varietat immersa obtinguda està subjecta a una distorsió geomètrica local induïda per la funció no lineal. Aquest tipus de distorsió pot conduir a interpretacions errònies de l'estructura del conjunt de dades i dels patrons obtinguts. Per això, és important donar rellevància al problema de com quantificar i visualitzar aquesta distorsió en sì, amb la finalitat d'interpretar les dades d'una manera més fidel

Tensor-based Hyperspectral Image Processing Methodology and its Applications in Impervious Surface and Land Cover Mapping

The emergence of hyperspectral imaging provides a new perspective for Earth observation, in addition to previously available orthophoto and multispectral imagery. This thesis focused on both the new data and new methodology in the field of hyperspectral imaging. First, the application of the future hyperspectral satellite EnMAP in impervious surface area (ISA) mapping was studied. During the search for the appropriate ISA mapping procedure for the new data, the subpixel classification based on nonnegative matrix factorization (NMF) achieved the best success. The simulated EnMAP image shows great potential in urban ISA mapping with over 85% accuracy. Unfortunately, the NMF based on the linear algebra only considers the spectral information and neglects the spatial information in the original image. The recent wide interest of applying the multilinear algebra in computer vision sheds light on this problem and raised the idea of nonnegative tensor factorization (NTF). This thesis found that the NTF has more advantages over the NMF when work with medium- rather than the high-spatial-resolution hyperspectral image. Furthermore, this thesis proposed to equip the NTF-based subpixel classification methods with the variations adopted from the NMF. By adopting the variations from the NMF, the urban ISA mapping results from the NTF were improved by ~2%. Lastly, the problem known as the curse of dimensionality is an obstacle in hyperspectral image applications. The majority of current dimension reduction (DR) methods are restricted to using only the spectral information, when the spatial information is neglected. To overcome this defect, two spectral-spatial methods: patch-based and tensor-patch-based, were thoroughly studied and compared in this thesis. To date, the popularity of the two solutions remains in computer vision studies and their applications in hyperspectral DR are limited. The patch-based and tensor-patch-based variations greatly improved the quality of dimension-reduced hyperspectral images, which then improved the land cover mapping results from them. In addition, this thesis proposed to use an improved method to produce an important intermediate result in the patch-based and tensor-patch-based DR process, which further improved the land cover mapping results

Multiple Action Recognition for Video Games (MARViG)

Action recognition research historically has focused on increasing accuracy on datasets in highly controlled environments. Perfect or near perfect offline action recognition accuracy on scripted datasets has been achieved. The aim of this thesis is to deal with the more complex problem of online action recognition with low latency in real world scenarios. To fulfil this aim two new multi-modal gaming datasets were captured and three novel algorithms for online action recognition were proposed. Two new gaming datasets, G3D and G3Di for real-time action recognition with multiple actions and multi-modal data were captured and publicly released. Furthermore, G3Di was captured using a novel game-sourcing method so the actions are realistic. Three novel algorithms for online action recognition with low latency were proposed. Firstly, Dynamic Feature Selection, which combines the discriminative power of Random Forests for feature selection with an ensemble of AdaBoost classifiers for dynamic classification. Secondly, Clustered Spatio-Temporal Manifolds, which modelled the dynamics of human actions with style invariant action templates that were combined with Dynamic Time Warping for execution rate invariance. Finally, a Hierarchical Transfer Learning framework, comprised of a novel transfer learning algorithm to detect compound actions in addition to hierarchical interaction detection to recognise the actions and interactions of multiple subjects. The proposed algorithms run in real-time with low latency ensuring they are suitable for a wide range of natural user interface applications including gaming. State-of-the art results were achieved for online action recognition. Experimental results indicate higher complexity of the G3Di dataset in comparison to the existing gaming datasets, highlighting the importance of this dataset for designing algorithms suitable for realistic interactive applications. This thesis has advanced the study of realistic action recognition and is expected to serve as a basis for further study within the research community