Generative-Discriminative Low Rank Decomposition for Medical Imaging Applications

In this thesis, we propose a method that can be used to extract biomarkers from medical images toward early diagnosis of abnormalities. Surge of demand for biomarkers and availability of medical images in the recent years call for accurate, repeatable, and interpretable approaches for extracting meaningful imaging features. However, extracting such information from medical images is a challenging task because the number of pixels (voxels) in a typical image is in order of millions while even a large sample-size in medical image dataset does not usually exceed a few hundred. Nevertheless, depending on the nature of an abnormality, only a parsimonious subset of voxels is typically relevant to the disease; therefore various notions of sparsity are exploited in this thesis to improve the generalization performance of the prediction task. We propose a novel discriminative dimensionality reduction method that yields good classification performance on various datasets without compromising the clinical interpretability of the results. This is achieved by combining the modelling strength of generative learning framework and the classification performance of discriminative learning paradigm. Clinical interpretability can be viewed as an additional measure of evaluation and is also helpful in designing methods that account for the clinical prior such as association of certain areas in a brain to a particular cognitive task or connectivity of some brain regions via neural fibres. We formulate our method as a large-scale optimization problem to solve a constrained matrix factorization. Finding an optimal solution of the large-scale matrix factorization renders off-the-shelf solver computationally prohibitive; therefore, we designed an efficient algorithm based on the proximal method to address the computational bottle-neck of the optimization problem. Our formulation is readily extended for different scenarios such as cases where a large cohort of subjects has uncertain or no class labels (semi-supervised learning) or a case where each subject has a battery of imaging channels (multi-channel), \etc. We show that by using various notions of sparsity as feasible sets of the optimization problem, we can encode different forms of prior knowledge ranging from brain parcellation to brain connectivity

Sparse, hierarchical and shared-factors priors for representation learning

La représentation en caractéristiques est une préoccupation centrale des systèmes d’apprentissage automatique d’aujourd’hui. Une représentation adéquate peut faciliter une tâche d’apprentissage complexe. C’est le cas lorsque par exemple cette représentation est de faible dimensionnalité et est constituée de caractéristiques de haut niveau. Mais comment déterminer si une représentation est adéquate pour une tâche d’apprentissage ? Les récents travaux suggèrent qu’il est préférable de voir le choix de la représentation comme un problème d’apprentissage en soi. C’est ce que l’on nomme l’apprentissage de représentation. Cette thèse présente une série de contributions visant à améliorer la qualité des représentations apprises. La première contribution élabore une étude comparative des approches par dictionnaire parcimonieux sur le problème de la localisation de points de prises (pour la saisie robotisée) et fournit une analyse empirique de leurs avantages et leurs inconvénients. La deuxième contribution propose une architecture réseau de neurones à convolution (CNN) pour la détection de points de prise et la compare aux approches d’apprentissage par dictionnaire. Ensuite, la troisième contribution élabore une nouvelle fonction d’activation paramétrique et la valide expérimentalement. Finalement, la quatrième contribution détaille un nouveau mécanisme de partage souple de paramètres dans un cadre d’apprentissage multitâche.Feature representation is a central concern of today’s machine learning systems. A proper representation can facilitate a complex learning task. This is the case when for instance the representation has low dimensionality and consists of high-level characteristics. But how can we determine if a representation is adequate for a learning task? Recent work suggests that it is better to see the choice of representation as a learning problem in itself. This is called Representation Learning. This thesis presents a series of contributions aimed at improving the quality of the learned representations. The first contribution elaborates a comparative study of Sparse Dictionary Learning (SDL) approaches on the problem of grasp detection (for robotic grasping) and provides an empirical analysis of their advantages and disadvantages. The second contribution proposes a Convolutional Neural Network (CNN) architecture for grasp detection and compares it to SDL. Then, the third contribution elaborates a new parametric activation function and validates it experimentally. Finally, the fourth contribution details a new soft parameter sharing mechanism for multitasking learning

Cognitive Robots for Social Interactions

One of my goals is to work towards developing Cognitive Robots, especially with regard to improving the functionalities that facilitate the interaction with human beings and their surrounding objects. Any cognitive system designated for serving human beings must be capable of processing the social signals and eventually enable efficient prediction and planning of appropriate responses. My main focus during my PhD study is to bridge the gap between the motoric space and the visual space. The discovery of the mirror neurons ([RC04]) shows that the visual perception of human motion (visual space) is directly associated to the motor control of the human body (motor space). This discovery poses a large number of challenges in different fields such as computer vision, robotics and neuroscience. One of the fundamental challenges is the understanding of the mapping between 2D visual space and 3D motoric control, and further developing building blocks (primitives) of human motion in the visual space as well as in the motor space. First, I present my study on the visual-motoric mapping of human actions. This study aims at mapping human actions in 2D videos to 3D skeletal representation. Second, I present an automatic algorithm to decompose motion capture (MoCap) sequences into synergies along with the times at which they are executed (or "activated") for each joint. Third, I proposed to use the Granger Causality as a tool to study the coordinated actions performed by at least two units. Recent scientific studies suggest that the above "action mirroring circuit" might be tuned to action coordination rather than single action mirroring. Fourth, I present the extraction of key poses in visual space. These key poses facilitate the further study of the "action mirroring circuit". I conclude the dissertation by describing the future of cognitive robotics study

Earables: Wearable Computing on the Ears

Kopfhörer haben sich bei Verbrauchern durchgesetzt, da sie private Audiokanäle anbieten, zum Beispiel zum Hören von Musik, zum Anschauen der neuesten Filme während dem Pendeln oder zum freihändigen Telefonieren. Dank diesem eindeutigen primären Einsatzzweck haben sich Kopfhörer im Vergleich zu anderen Wearables, wie zum Beispiel Smartglasses, bereits stärker durchgesetzt. In den letzten Jahren hat sich eine neue Klasse von Wearables herausgebildet, die als "Earables" bezeichnet werden. Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie in oder um die Ohren getragen werden können. Sie enthalten verschiedene Sensoren, um die Funktionalität von Kopfhörern zu erweitern. Die räumliche Nähe von Earables zu wichtigen anatomischen Strukturen des menschlichen Körpers bietet eine ausgezeichnete Plattform für die Erfassung einer Vielzahl von Eigenschaften, Prozessen und Aktivitäten. Auch wenn im Bereich der Earables-Forschung bereits einige Fortschritte erzielt wurden, wird deren Potenzial aktuell nicht vollständig abgeschöpft. Ziel dieser Dissertation ist es daher, neue Einblicke in die Möglichkeiten von Earables zu geben, indem fortschrittliche Sensorikansätze erforscht werden, welche die Erkennung von bisher unzugänglichen Phänomenen ermöglichen. Durch die Einführung von neuartiger Hardware und Algorithmik zielt diese Dissertation darauf ab, die Grenzen des Erreichbaren im Bereich Earables zu verschieben und diese letztlich als vielseitige Sensorplattform zur Erweiterung menschlicher Fähigkeiten zu etablieren. Um eine fundierte Grundlage für die Dissertation zu schaffen, synthetisiert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik im Bereich der ohr-basierten Sensorik und stellt eine einzigartig umfassende Taxonomie auf der Basis von 271 relevanten Publikationen vor. Durch die Verbindung von Low-Level-Sensor-Prinzipien mit Higher-Level-Phänomenen werden in der Dissertation anschließ-end Arbeiten aus verschiedenen Bereichen zusammengefasst, darunter (i) physiologische Überwachung und Gesundheit, (ii) Bewegung und Aktivität, (iii) Interaktion und (iv) Authentifizierung und Identifizierung. Diese Dissertation baut auf der bestehenden Forschung im Bereich der physiologischen Überwachung und Gesundheit mit Hilfe von Earables auf und stellt fortschrittliche Algorithmen, statistische Auswertungen und empirische Studien vor, um die Machbarkeit der Messung der Atemfrequenz und der Erkennung von Episoden erhöhter Hustenfrequenz durch den Einsatz von In-Ear-Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zu demonstrieren. Diese neuartigen Sensorfunktionen unterstreichen das Potenzial von Earables, einen gesünderen Lebensstil zu fördern und eine proaktive Gesundheitsversorgung zu ermöglichen. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation ein innovativer Eye-Tracking-Ansatz namens "earEOG" vorgestellt, welcher Aktivitätserkennung erleichtern soll. Durch die systematische Auswertung von Elektrodenpotentialen, die um die Ohren herum mittels eines modifizierten Kopfhörers gemessen werden, eröffnet diese Dissertation einen neuen Weg zur Messung der Blickrichtung. Dabei ist das Verfahren weniger aufdringlich und komfortabler als bisherige Ansätze. Darüber hinaus wird ein Regressionsmodell eingeführt, um absolute Änderungen des Blickwinkels auf der Grundlage von earEOG vorherzusagen. Diese Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten für Forschung, welche sich nahtlos in das tägliche Leben integrieren lässt und tiefere Einblicke in das menschliche Verhalten ermöglicht. Weiterhin zeigt diese Arbeit, wie sich die einzigarte Bauform von Earables mit Sensorik kombinieren lässt, um neuartige Phänomene zu erkennen. Um die Interaktionsmöglichkeiten von Earables zu verbessern, wird in dieser Dissertation eine diskrete Eingabetechnik namens "EarRumble" vorgestellt, die auf der freiwilligen Kontrolle des Tensor Tympani Muskels im Mittelohr beruht. Die Dissertation bietet Einblicke in die Verbreitung, die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort von EarRumble, zusammen mit praktischen Anwendungen in zwei realen Szenarien. Der EarRumble-Ansatz erweitert das Ohr von einem rein rezeptiven Organ zu einem Organ, das nicht nur Signale empfangen, sondern auch Ausgangssignale erzeugen kann. Im Wesentlichen wird das Ohr als zusätzliches interaktives Medium eingesetzt, welches eine freihändige und augenfreie Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglicht. EarRumble stellt eine Interaktionstechnik vor, die von den Nutzern als "magisch und fast telepathisch" beschrieben wird, und zeigt ein erhebliches ungenutztes Potenzial im Bereich der Earables auf. Aufbauend auf den vorhergehenden Ergebnissen der verschiedenen Anwendungsbereiche und Forschungserkenntnisse mündet die Dissertation in einer offenen Hard- und Software-Plattform für Earables namens "OpenEarable". OpenEarable umfasst eine Reihe fortschrittlicher Sensorfunktionen, die für verschiedene ohrbasierte Forschungsanwendungen geeignet sind, und ist gleichzeitig einfach herzustellen. Hierdurch werden die Einstiegshürden in die ohrbasierte Sensorforschung gesenkt und OpenEarable trägt somit dazu bei, das gesamte Potenzial von Earables auszuschöpfen. Darüber hinaus trägt die Dissertation grundlegenden Designrichtlinien und Referenzarchitekturen für Earables bei. Durch diese Forschung schließt die Dissertation die Lücke zwischen der Grundlagenforschung zu ohrbasierten Sensoren und deren praktischem Einsatz in realen Szenarien. Zusammenfassend liefert die Dissertation neue Nutzungsszenarien, Algorithmen, Hardware-Prototypen, statistische Auswertungen, empirische Studien und Designrichtlinien, um das Feld des Earable Computing voranzutreiben. Darüber hinaus erweitert diese Dissertation den traditionellen Anwendungsbereich von Kopfhörern, indem sie die auf Audio fokussierten Geräte zu einer Plattform erweitert, welche eine Vielzahl fortschrittlicher Sensorfähigkeiten bietet, um Eigenschaften, Prozesse und Aktivitäten zu erfassen. Diese Neuausrichtung ermöglicht es Earables sich als bedeutende Wearable Kategorie zu etablieren, und die Vision von Earables als eine vielseitige Sensorenplattform zur Erweiterung der menschlichen Fähigkeiten wird somit zunehmend realer