Orientador: Alexandre Xavier FalcãoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: A análise de imagens vem sendo largamente aplicada em diversas áreas das Ciências e Engenharia, com o intuito de extrair e interpretar o conteúdo de interesse em aplicações que variam de uma simple análise de códigos de barras ao diagnóstico automatizado de doenças. Entretanto, as soluções do Estado da Arte baseadas em redes neurais com múltiplas camadas usualmente requerem um elevado número de amostras anotadas (rotuladas), implicando em um considerável esforço humano na identificação, isolamento, e anotação dessas amostras em grandes bases de dados. O problema é agravado quando tal anotação requer especialistas no domínio da aplicação, tal como em Medicina e Agricultura, constituindo um inconveniente crucial em tais aplicações. Neste contexto, as Redes de Convolução (Convolution Networks - ConvNets), estão entre as abordagens mais bem sucedidas na extração de características de imagens, tal que, sua associação com Perceptrons Multi-Camadas (Multi Layer Perceptron - MLP) ou Máquinas de Vetores de Suporte (Support Vector Machines - SVM) permite uma classificação de amostras bastante efetiva. Outro problema importante de tais técnicas se encontra na alta dimensionalidade de suas características, que dificulta o processo de análise da distribuição das amostras por métodos baseados em distância Euclidiana, como agrupamento e visualização de dados multidimensionais. Considerando tais problemas, avaliamos as principais estratégias no projeto de ConvNets, a saber, Aprendizado de Arquitetura (Architecture Learning - AL), Aprendizado de Filtros (Filter Learning - FL) e Aprendizado por Transferência de Domínio (Transfer Learning - TL) em relação a sua capacidade de aprendizado num conjunto limitado de amostras anotadas. E, para confirmar a eficácia no aprendizado de características, analisamos a melhoria do classificador conforme o número de amostras aumenta durante o aprendizado ativo. Métodos de data augmentation também foram avaliados como uma potencial estratégia para lidar com a ausência de amostras anotadas. Finalmente, apresentamos os principais resultados do trabalho numa aplicação real ¿ o diagnóstico de parasitos intestinais ¿ em comparação com os descritores do Estado da Arte. Por fim, pudemos concluir que TL se apresenta como a melhor estratégia, sob restrição de dados supervisionados, sempre que tivermos uma rede previamente aprendida que se aplique ao problema em questão. Caso contrário, AL se apresenta como a segunda melhor alternativa. Pudemos ainda observar a eficácia da Análise Discriminante Linear (Linear Discriminant Analysis - LDA) em reduzir consideravelmente o espaço de características criado pelas ConvNets, permitindo uma melhor compreensão dos especialistas sobre os processos de aprendizado de características e aprendizado ativo, por meio de técnicas de visualização de dados multidimensionais. Estes importantes resultados sugerem que uma interação entre aprendizado de características, aprendizado ativo, e especialistas, pode beneficiar consideravelmente o aprendizado de máquinaAbstract: Image analysis has been widely employed in many areas of the Sciences and Engineering to extract and interpret high-level information from images, with applications ranging from a simple bar code analysis to the diagnosis of diseases. However, the state-of-the-art solutions based on deep learning often require a training set with a high number of annotated (labeled) examples. This may imply significant human effort in sample identification, isolation, and labeling from large image databases, specially when image annotation asks for specialists in the application domain, such as in Medicine and Agriculture, such requirement constitutes a crucial drawback. In this context, Convolution Networks (ConvNets) are among the most successful approaches for image feature extraction, such that their combination with a Multi-Layer Perceptron (MLP) network or a Support Vector Machine (SVM) can be used for effective sample classification. Another problem in these techniques is the resulting high-dimension feature space, which makes difficult the analysis of the sample distribution by the commonly used distance based data clustering and visualization methods. In this work, we analyze both problems by assessing the main strategies for ConvNet design, namely Architecture Learning (AL), Filter Learning (FL), and Transfer Learning (TL), according to their capability of learning from a limited number of labeled examples, and by evaluating the impact of feature space reduction techniques in distance-based data classification and visualization. In order to confirm the effectiveness of feature learning, we analyze the progress of the classifier as the number of supervised samples increase during active learning. Data augmentation has also been evaluated as a potential strategy to cope with the absence of labeled examples. Finally, we demonstrate the main results of the work for a real application ¿ the diagnosis of intestinal parasites ¿ in comparison to the state-of-the-art image descriptors. In conclusion, TL has shown to be the best strategy, under supervised data constraint, whenever we count with a learned network that suits the problem. When this is not the case, AL comes as the second best alternative. We have also observed the effectiveness of Linear Discriminant Analysis (LDA) in considerably reducing the feature space created by ConvNets to allow a better understanding of the feature learning and active learning processes by the expert through data visualization. This important result suggests an interplaying between feature and active learning with intervening of the experts to improve both processes as future workMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da ComputaçãoCNPQCAPE
