Deep learning for computer vision: a comparison between convolutional neural networks and hierarchical temporal memories on object recognition tasks

In recent years, Deep Learning techniques have shown to perform well on a large variety of problems both in Computer Vision and Natural Language Processing, reaching and often surpassing the state of the art on many tasks. The rise of deep learning is also revolutionizing the entire field of Machine Learning and Pattern Recognition pushing forward the concepts of automatic feature extraction and unsupervised learning in general. However, despite the strong success both in science and business, deep learning has its own limitations. It is often questioned if such techniques are only some kind of brute-force statistical approaches and if they can only work in the context of High Performance Computing with tons of data. Another important question is whether they are really biologically inspired, as claimed in certain cases, and if they can scale well in terms of "intelligence". The dissertation is focused on trying to answer these key questions in the context of Computer Vision and, in particular, Object Recognition, a task that has been heavily revolutionized by recent advances in the field. Practically speaking, these answers are based on an exhaustive comparison between two, very different, deep learning techniques on the aforementioned task: Convolutional Neural Network (CNN) and Hierarchical Temporal memory (HTM). They stand for two different approaches and points of view within the big hat of deep learning and are the best choices to understand and point out strengths and weaknesses of each of them. CNN is considered one of the most classic and powerful supervised methods used today in machine learning and pattern recognition, especially in object recognition. CNNs are well received and accepted by the scientific community and are already deployed in large corporation like Google and Facebook for solving face recognition and image auto-tagging problems. HTM, on the other hand, is known as a new emerging paradigm and a new meanly-unsupervised method, that is more biologically inspired. It tries to gain more insights from the computational neuroscience community in order to incorporate concepts like time, context and attention during the learning process which are typical of the human brain. In the end, the thesis is supposed to prove that in certain cases, with a lower quantity of data, HTM can outperform CNN.

Trajectory Planning in UAV-Aided Wireless Networks Via Reinforcement Learning

This thesis is focused on the design of a flexible, dynamic and innovative telecommunication's system for future 6G applications on vehicular communications. The system is based on the development of drones acting as mobile base stations in an urban scenario to cope with the increasing traffic demand and avoid network's congestion conditions. In particular, the exploitation of Reinforcement Learning algorithms is used to let the drone learn autonomously how to behave in a scenario full of obstacles with the goal of tracking and serve the maximum number of moving vehicles, by at the same time, minimizing the energy consumed to perform its tasks. This project is an extraordinary opportunity to open the doors to a new way of applying and develop telecommunications in an urban scenario by mixing it to the rising world of the Artificial Intelligence.

Machine learning and convolutional neural networks for melanomas identification

Il machine learning negli ultimi anni ha acquisito una crescente popolarità nell’ambito della ricerca scientifica e delle sue applicazioni. Lo scopo di questa tesi è stato quello di studiare il machine learning nei suoi aspetti generali e applicarlo a problemi di computer vision. La tesi ha affrontato le difficoltà del dover spiegare dal punto di vista teorico gli algoritmi alla base delle reti neurali convoluzionali e ha successivamente trattato due problemi concreti di riconoscimento immagini: il dataset MNIST (immagini di cifre scritte a mano) e un dataset che sarà chiamato ”MELANOMA dataset” (immagini di melanomi e nevi sani). Utilizzando le tecniche spiegate nella sezione teorica si sono riusciti ad ottenere risultati soddifacenti per entrambi i dataset ottenendo una precisione del 98% per il MNIST e del 76.8% per il MELANOMA dataset

Structure learning of graphical models for task-oriented robot grasping

In the collective imaginaries a robot is a human like machine as any androids in science fiction. However the type of robots that you will encounter most frequently are machinery that do work that is too dangerous, boring or onerous. Most of the robots in the world are of this type. They can be found in auto, medical, manufacturing and space industries. Therefore a robot is a system that contains sensors, control systems, manipulators, power supplies and software all working together to perform a task. The development and use of such a system is an active area of research and one of the main problems is the development of interaction skills with the surrounding environment, which include the ability to grasp objects. To perform this task the robot needs to sense the environment and acquire the object informations, physical attributes that may influence a grasp. Humans can solve this grasping problem easily due to their past experiences, that is why many researchers are approaching it from a machine learning perspective finding grasp of an object using information of already known objects. But humans can select the best grasp amongst a vast repertoire not only considering the physical attributes of the object to grasp but even to obtain a certain effect. This is why in our case the study in the area of robot manipulation is focused on grasping and integrating symbolic tasks with data gained through sensors. The learning model is based on Bayesian Network to encode the statistical dependencies between the data collected by the sensors and the symbolic task. This data representation has several advantages. It allows to take into account the uncertainty of the real world, allowing to deal with sensor noise, encodes notion of causality and provides an unified network for learning. Since the network is actually implemented and based on the human expert knowledge, it is very interesting to implement an automated method to learn the structure as in the future more tasks and object features can be introduced and a complex network design based only on human expert knowledge can become unreliable. Since structure learning algorithms presents some weaknesses, the goal of this thesis is to analyze real data used in the network modeled by the human expert, implement a feasible structure learning approach and compare the results with the network designed by the expert in order to possibly enhance it.

Segmentazione di immagini mammografiche con convolutional neural networks

Il tumore al seno si colloca al primo posto per livello di mortalità tra le patologie tumorali che colpiscono la popolazione femminile mondiale. Diversi studi clinici hanno dimostrato come la diagnosi da parte del radiologo possa essere aiutata e migliorata dai sistemi di Computer Aided Detection (CAD). A causa della grande variabilità di forma e dimensioni delle masse tumorali e della somiglianza di queste con i tessuti che le ospitano, la loro ricerca automatizzata è un problema estremamente complicato. Un sistema di CAD è generalmente composto da due livelli di classificazione: la detection, responsabile dell’individuazione delle regioni sospette presenti sul mammogramma (ROI) e quindi dell’eliminazione preventiva delle zone non a rischio; la classificazione vera e propria (classification) delle ROI in masse e tessuto sano. Lo scopo principale di questa tesi è lo studio di nuove metodologie di detection che possano migliorare le prestazioni ottenute con le tecniche tradizionali. Si considera la detection come un problema di apprendimento supervisionato e lo si affronta mediante le Convolutional Neural Networks (CNN), un algoritmo appartenente al deep learning, nuova branca del machine learning. Le CNN si ispirano alle scoperte di Hubel e Wiesel riguardanti due tipi base di cellule identificate nella corteccia visiva dei gatti: le cellule semplici (S), che rispondono a stimoli simili ai bordi, e le cellule complesse (C) che sono localmente invarianti all’esatta posizione dello stimolo. In analogia con la corteccia visiva, le CNN utilizzano un’architettura profonda caratterizzata da strati che eseguono sulle immagini, alternativamente, operazioni di convoluzione e subsampling. Le CNN, che hanno un input bidimensionale, vengono solitamente usate per problemi di classificazione e riconoscimento automatico di immagini quali oggetti, facce e loghi o per l’analisi di documenti.

Machine Learning applicato al Web Semantico: Statistical Relational Learning vs Tensor Factorization

Obiettivo della tesi è analizzare e testare i principali approcci di Machine Learning applicabili in contesti semantici, partendo da algoritmi di Statistical Relational Learning, quali Relational Probability Trees, Relational Bayesian Classifiers e Relational Dependency Networks, per poi passare ad approcci basati su fattorizzazione tensori, in particolare CANDECOMP/PARAFAC, Tucker e RESCAL.

Exact Combinatorial Optimization with Graph Convolutional Neural Networks

Combinatorial optimization problems are typically tackled by the branch-and-bound paradigm. We propose to learn a variable selection policy for branch-and-bound in mixed-integer linear programming, by imitation learning on a diversified variant of the strong branching expert rule. We encode states as bipartite graphs and parameterize the policy as a graph convolutional neural network. Experiments on a series of synthetic problems demonstrate that our approach produces policies that can improve upon expert-designed branching rules on large problems, and generalize to instances significantly larger than seen during training.

Studio e Sperimentazione di Algoritmi di Reinforcement Learning Applicati a Video Game

Nella prima parte del mio lavoro viene presentato uno studio di una prima soluzione "from scratch" sviluppata da Andrew Karpathy. Seguono due miei miglioramenti: il primo modificando direttamente il codice della precedente soluzione e introducendo, come obbiettivo aggiuntivo per la rete nelle prime fasi di gioco, l'intercettazione della pallina da parte della racchetta, migliorando l'addestramento iniziale; il secondo é una mia personale implementazione utilizzando algoritmi più complessi, che sono allo stato dell'arte su giochi dell'Atari, e che portano un addestramento molto più veloce della rete.

End-to-end Deep Metric Learning con Vision-Language Model per il Fashion Image Captioning

L'image captioning è un task di machine learning che consiste nella generazione di una didascalia, o caption, che descriva le caratteristiche di un'immagine data in input. Questo può essere applicato, ad esempio, per descrivere in dettaglio i prodotti in vendita su un sito di e-commerce, migliorando l'accessibilità del sito web e permettendo un acquisto più consapevole ai clienti con difficoltà visive. La generazione di descrizioni accurate per gli articoli di moda online è importante non solo per migliorare le esperienze di acquisto dei clienti, ma anche per aumentare le vendite online. Oltre alla necessità di presentare correttamente gli attributi degli articoli, infatti, descrivere i propri prodotti con il giusto linguaggio può contribuire a catturare l'attenzione dei clienti. In questa tesi, ci poniamo l'obiettivo di sviluppare un sistema in grado di generare una caption che descriva in modo dettagliato l'immagine di un prodotto dell'industria della moda dato in input, sia esso un capo di vestiario o un qualche tipo di accessorio. A questo proposito, negli ultimi anni molti studi hanno proposto soluzioni basate su reti convoluzionali e LSTM. In questo progetto proponiamo invece un'architettura encoder-decoder, che utilizza il modello Vision Transformer per la codifica delle immagini e GPT-2 per la generazione dei testi. Studiamo inoltre come tecniche di deep metric learning applicate in end-to-end durante l'addestramento influenzino le metriche e la qualità delle caption generate dal nostro modello.

Edge-aware Graph Attention Networks: Joint Reasoning On Text and Knowledge Graphs for Biomedical Question Answering

Much of the real-world dataset, including textual data, can be represented using graph structures. The use of graphs to represent textual data has many advantages, mainly related to maintaining a more significant amount of information, such as the relationships between words and their types. In recent years, many neural network architectures have been proposed to deal with tasks on graphs. Many of them consider only node features, ignoring or not giving the proper relevance to relationships between them. However, in many node classification tasks, they play a fundamental role. This thesis aims to analyze the main GNNs, evaluate their advantages and disadvantages, propose an innovative solution considered as an extension of GAT, and apply them to a case study in the biomedical field. We propose the reference GNNs, implemented with methodologies later analyzed, and then applied to a question answering system in the biomedical field as a replacement for the pre-existing GNN. We attempt to obtain better results by using models that can accept as input both node and edge features. As shown later, our proposed models can beat the original solution and define the state-of-the-art for the task under analysis.

Geometric deep learning for polygonal mesh denoising

Il seguente lavoro si propone come analisi degli operatori convoluzionali che caratterizzano le graph neural networks. ln particolare, la trattazione si divide in due parti, una teorica e una sperimentale. Nella parte teorica vengono innanzitutto introdotte le nozioni preliminari di mesh e convoluzione su mesh. In seguito vengono riportati i concetti base del geometric deep learning, quali le definizioni degli operatori convoluzionali e di pooling e unpooling. Un'attenzione particolare è stata data all'architettura Graph U-Net. La parte sperimentare riguarda l'applicazione delle reti neurali e l'analisi degli operatori convoluzionali applicati al denoising di superfici perturbate a causa di misurazioni imperfette effettuate da scanner 3D.

A deep learning model via thermodynamics and condensed matter physics

Deep Learning architectures give brilliant results in a large variety of fields, but a comprehensive theoretical description of their inner functioning is still lacking. In this work, we try to understand the behavior of neural networks by modelling in the frameworks of Thermodynamics and Condensed Matter Physics. We approach neural networks as in a real laboratory and we measure the frequency spectrum and the entropy of the weights of the trained model. The stochasticity of the training occupies a central role in the dynamics of the weights and makes it difficult to assimilate neural networks to simple physical systems. However, the analogy with Thermodynamics and the introduction of a well defined temperature leads us to an interesting result: if we eliminate from a CNN the "hottest" filters, the performance of the model remains the same, whereas, if we eliminate the "coldest" ones, the performance gets drastically worst. This result could be exploited in the realization of a training loop which eliminates the filters that do not contribute to loss reduction. In this way, the computational cost of the training will be lightened and more importantly this would be done by following a physical model. In any case, beside important practical applications, our analysis proves that a new and improved modeling of Deep Learning systems can pave the way to new and more efficient algorithms.

Autonomous Pricing using Policy-Gradient Reinforcement Learning

Nella letteratura economica e di teoria dei giochi vi è un dibattito aperto sulla possibilità di emergenza di comportamenti anticompetitivi da parte di algoritmi di determinazione automatica dei prezzi di mercato. L'obiettivo di questa tesi è sviluppare un modello di reinforcement learning di tipo actor-critic con entropy regularization per impostare i prezzi in un gioco dinamico di competizione oligopolistica con prezzi continui. Il modello che propongo esibisce in modo coerente comportamenti cooperativi supportati da meccanismi di punizione che scoraggiano la deviazione dall'equilibrio raggiunto a convergenza. Il comportamento di questo modello durante l'apprendimento e a convergenza avvenuta aiuta inoltre a interpretare le azioni compiute da Q-learning tabellare e altri algoritmi di prezzo in condizioni simili. I risultati sono robusti alla variazione del numero di agenti in competizione e al tipo di deviazione dall'equilibrio ottenuto a convergenza, punendo anche deviazioni a prezzi più alti.

Spectral methods in geometric deep learning

Questa tesi propone una panoramica sul funzionamento interno delle architetture alla base del deep learning e in particolare del geometric deep learning. Iniziando a discutere dalla storia degli algoritmi di intelligenza artificiale, vengono introdotti i principali costituenti di questi. In seguito vengono approfonditi alcuni elementi della teoria dei grafi, in particolare il concetto di laplaciano discreto e il suo ruolo nello studio del fenomeno di diffusione sui grafi. Infine vengono presentati alcuni algoritmi utilizzati nell'ambito del geometric deep learning su grafi per la classificazione di nodi. I concetti discussi vengono poi applicati nella realizzazione di un'architettura in grado di classficiare i nodi del dataset Zachary Karate Club.

Geometric Deep Learning per il denoising di mesh 3D

La crescente disponibilità di scanner 3D ha reso più semplice l’acquisizione di modelli 3D dall’ambiente. A causa delle inevitabili imperfezioni ed errori che possono avvenire durante la fase di scansione, i modelli acquisiti possono risultare a volte inutilizzabili ed affetti da rumore. Le tecniche di denoising hanno come obiettivo quello di rimuovere dalla superficie della mesh 3D scannerizzata i disturbi provocati dal rumore, ristabilendo le caratteristiche originali della superficie senza introdurre false informazioni. Per risolvere questo problema, un approccio innovativo è quello di utilizzare il Geometric Deep Learning per addestrare una Rete Neurale in maniera da renderla in grado di eseguire efficacemente il denoising di mesh. L’obiettivo di questa tesi è descrivere il Geometric Deep Learning nell’ambito del problema sotto esame.