LIFE4Pollinators app: gamification, citizen science e machine learning per la classificazione e monitoraggio degli insetti impollinatori

Il tema della biodiversità sta assumendo sempre più importanza negli ultimi decenni a causa delle condizioni di rischio, dovute alle attività umane, a cui l'intero mondo naturale è costantemente sottoposto. In questo contesto diventa sempre più importante l'educazione ambientale per aumentare la consapevolezza delle persone e per far si che ognuno possa adottare i dovuti accorgimenti nel rispetto e nella preservazione della natura. Questo progetto nasce con l'obiettivo di approfondire il tema della sensibilizzazione, attraverso lo sviluppo di una applicazione nativa android in grado di classificare gli insetti impollinatori e che, grazie all'integrazione di elementi di gamification, sia in grado di motivare l'utente ad approfondire le proprie conoscenze. Il progetto di tesi è suddiviso in tre capitoli: il primo descrive i concetti di biodiversità, gamification e citizen science su cui si basa l'elaborato; il secondo capitolo rappresenta la fase di progettazione per strutturare il database, le interfacce grafiche e per capire le tecnologie migliore da utilizzare; infine il terzo capitolo mostra l'implementazione completa del progetto, descrivendone nel dettaglio le funzionalità.

Meta-learning for informed model searches in Automated Machine Learning

Day by day, machine learning is changing our lives in ways we could not have imagined just 5 years ago. ML expertise is more and more requested and needed, though just a limited number of ML engineers are available on the job market, and their knowledge is always limited by an inherent characteristic of theirs: they are humans. This thesis explores the possibilities offered by meta-learning, a new field in ML that takes learning a level higher: models are trained on other models' training data, starting from features of the dataset they were trained on, inference times, obtained performances, to try to understand the relationship between a good model and the way it was obtained. The so-called metamodel was trained on data collected by OpenML, the largest ML metadata platform that's publicly available today. Datasets were analyzed to obtain meta-features that describe them, which were then tied to model performances in a regression task. The obtained metamodel predicts the expected performances of a given model type (e.g., a random forest) on a given ML task (e.g., classification on the UCI census dataset). This research was then integrated into a custom-made AutoML framework, to show how meta-learning is not an end in itself, but it can be used to further progress our ML research. Encoding ML engineering expertise in a model allows better, faster, and more impactful ML applications across the whole world, while reducing the cost that is inevitably tied to human engineers.

Modelli di Machine Learning per la Valutazione della Qualità del Vino

Descrizione, implementazione in Python e valutazione di modelli di Machine Learning e di tutte le sue fasi di Preprocessing, EDA, Training, Test e Evaluation, per valutare la qualità del vino attraverso le sue caratteristiche fisico-chimiche.

Graph-based Vision-Language Model for Multi-Modal Retrieval of Fashion Products

Artificial Intelligence is reshaping the field of fashion industry in different ways. E-commerce retailers exploit their data through AI to enhance their search engines, make outfit suggestions and forecast the success of a specific fashion product. However, it is a challenging endeavour as the data they possess is huge, complex and multi-modal. The most common way to search for fashion products online is by matching keywords with phrases in the product's description which are often cluttered, inadequate and differ across collections and sellers. A customer may also browse an online store's taxonomy, although this is time-consuming and doesn't guarantee relevant items. With the advent of Deep Learning architectures, particularly Vision-Language models, ad-hoc solutions have been proposed to model both the product image and description to solve this problems. However, the suggested solutions do not exploit effectively the semantic or syntactic information of these modalities, and the unique qualities and relations of clothing items. In this work of thesis, a novel approach is proposed to address this issues, which aims to model and process images and text descriptions as graphs in order to exploit the relations inside and between each modality and employs specific techniques to extract syntactic and semantic information. The results obtained show promising performances on different tasks when compared to the present state-of-the-art deep learning architectures.

Methods for monitoring Machine Learning models

The following thesis aims to investigate the issues concerning the maintenance of a Machine Learning model over time, both about the versioning of the model itself and the data on which it is trained and about data monitoring tools and their distribution. The themes of Data Drift and Concept Drift were then explored and the performance of some of the most popular techniques in the field of Anomaly detection, such as VAE, PCA, and Monte Carlo Dropout, were evaluated.

ICE Emissions Estimation through Machine-learning techniques to support real-world R&D experiments

The emissions estimation, both during homologation and standard driving, is one of the new challenges that automotive industries have to face. The new European and American regulation will allow a lower and lower quantity of Carbon Monoxide emission and will require that all the vehicles have to be able to monitor their own pollutants production. Since numerical models are too computationally expensive and approximated, new solutions based on Machine Learning are replacing standard techniques. In this project we considered a real V12 Internal Combustion Engine to propose a novel approach pushing Random Forests to generate meaningful prediction also in extreme cases (extrapolation, very high frequency peaks, noisy instrumentation etc.). The present work proposes also a data preprocessing pipeline for strongly unbalanced datasets and a reinterpretation of the regression problem as a classification problem in a logarithmic quantized domain. Results have been evaluated for two different models representing a pure interpolation scenario (more standard) and an extrapolation scenario, to test the out of bounds robustness of the model. The employed metrics take into account different aspects which can affect the homologation procedure, so the final analysis will focus on combining all the specific performances together to obtain the overall conclusions.

SynBA: A contextualized Synonim-Based adversarial Attack for text classification

With the advent of high-performance computing devices, deep neural networks have gained a lot of popularity in solving many Natural Language Processing tasks. However, they are also vulnerable to adversarial attacks, which are able to modify the input text in order to mislead the target model. Adversarial attacks are a serious threat to the security of deep neural networks, and they can be used to craft adversarial examples that steer the model towards a wrong decision. In this dissertation, we propose SynBA, a novel contextualized synonym-based adversarial attack for text classification. SynBA is based on the idea of replacing words in the input text with their synonyms, which are selected according to the context of the sentence. We show that SynBA successfully generates adversarial examples that are able to fool the target model with a high success rate. We demonstrate three advantages of this proposed approach: (1) effective - it outperforms state-of-the-art attacks by semantic similarity and perturbation rate, (2) utility-preserving - it preserves semantic content, grammaticality, and correct types classified by humans, and (3) efficient - it performs attacks faster than other methods.

Machine Learning in Automatic Tabulation for Constraint Model Reformulation

Combinatorial decision and optimization problems belong to numerous applications, such as logistics and scheduling, and can be solved with various approaches. Boolean Satisfiability and Constraint Programming solvers are some of the most used ones and their performance is significantly influenced by the model chosen to represent a given problem. This has led to the study of model reformulation methods, one of which is tabulation, that consists in rewriting the expression of a constraint in terms of a table constraint. To apply it, one should identify which constraints can help and which can hinder the solving process. So far this has been performed by hand, for example in MiniZinc, or automatically with manually designed heuristics, in Savile Row. Though, it has been shown that the performances of these heuristics differ across problems and solvers, in some cases helping and in others hindering the solving procedure. However, recent works in the field of combinatorial optimization have shown that Machine Learning (ML) can be increasingly useful in the model reformulation steps. This thesis aims to design a ML approach to identify the instances for which Savile Row’s heuristics should be activated. Additionally, it is possible that the heuristics miss some good tabulation opportunities, so we perform an exploratory analysis for the creation of a ML classifier able to predict whether or not a constraint should be tabulated. The results reached towards the first goal show that a random forest classifier leads to an increase in the performances of 4 different solvers. The experimental results in the second task show that a ML approach could improve the performance of a solver for some problem classes.

Implementazione di algoritmi Tiny Machine Learning per il monitoraggio strutturale basato su emissioni acustiche

Il monitoraggio basato su emissioni acustiche (AE) guidate si è confermato tra le tecniche più affidabili nel campo del Non-Destructive Testing delle strutture planari, vista anche la sua semplicità implementativa, i bassi costi che lo caratterizzano, la non invasività e la possibilità di realizzare un sistema che agisca in maniera continuativa ed in tempo reale sfruttando reti di sensori permanentemente installati, senza la necessità di ispezioni periodiche. In tale contesto, è possibile sfruttare l’abilità dell’apprendimento automatico nell’individuazione dei pattern nascosti all’interno dei segnali grezzi registrati, ottenendo così informazioni utili ai fini dell’applicazione considerata. L’esecuzione on-edge dei modelli, ovvero sul punto di acquisizione, consente di superare le limitazioni imposte dal processamento centralizzato dei dati, con notevoli vantaggi in termini di consumo energetico, tempestività nella risposta ed integrità degli stessi. A questo scopo, si rivela però necessario sviluppare modelli compatibili con le stringenti risorse hardware dei dispositivi a basso costo tipicamente impiegati. In questo elaborato verranno prese in esame alcune tipologie di reti neurali artificiali per l’estrazione dell’istante di arrivo (ToA) di un’emissione acustica all’interno di una sequenza temporale, in particolare quelle convoluzionali (CNNs) ed una loro variante più recente, le CapsNet basate su rounting by agreement. L’individuazione dei ToA relativi al medesimo evento su segnali acquisiti in diverse posizioni spaziali consente infatti di localizzare la sorgente da cui esso è scaturito. Le dimensioni di questi modelli permettono di eseguire l’inferenza direttamente su edge-device. I risultati ottenuti confermano la maggiore robustezza delle tecniche di apprendimento profondo rispetto ai metodi statistici tradizionali nel far fronte a diverse tipologie di disturbo, in particolare negli scenari più critici dal punto di vista del rapporto segnale-rumore.

Classificazione di Radiografie Toraciche per la Diagnosi del COVID-19 con Reti Convoluzionali e Vision Transformer

Negli ultimi due anni, per via della pandemia generata dal virus Covid19, la vita in ogni angolo del nostro pianeta è drasticamente cambiata. Ad oggi, nel mondo, sono oltre duecentoventi milioni le persone che hanno contratto questo virus e sono quasi cinque milioni le persone decedute. In alcuni periodi si è arrivati ad avere anche un milione di nuovi contagiati al giorno e mediamente, negli ultimi sei mesi, questo dato è stato di più di mezzo milione al giorno. Gli ospedali, soprattutto nei paesi meno sviluppati, hanno subito un grande stress e molte volte hanno avuto una carenza di risorse per fronteggiare questa grave pandemia. Per questo motivo ogni ricerca in questo campo diventa estremamente importante, soprattutto quelle che, con l'ausilio dell'intelligenza artificiale, riescono a dare supporto ai medici. Queste tecnologie una volta sviluppate e approvate possono essere diffuse a costi molto bassi e accessibili a tutti. In questo elaborato sono stati sperimentati e valutati due diversi approcci alla diagnosi del Covid-19 a partire dalle radiografie toraciche dei pazienti: il primo metodo si basa sul transfer learning di una rete convoluzionale inizialmente pensata per la classificazione di immagini. Il secondo approccio utilizza i Vision Transformer (ViT), un'architettura ampiamente diffusa nel campo del Natural Language Processing adattata ai task di Visione Artificiale. La prima soluzione ha ottenuto un’accuratezza di 0.85 mentre la seconda di 0.92, questi risultati, soprattutto il secondo, sono molto incoraggianti soprattutto vista la minima quantità di dati di training necessaria.

Tree regularized neural networks for key point analysis

This thesis contributes to the ArgMining 2021 shared task on Key Point Analysis. Key Point Analysis entails extracting and calculating the prevalence of a concise list of the most prominent talking points, from an input corpus. These talking points are usually referred to as key points. Key point analysis is divided into two subtasks: Key Point Matching, which involves assigning a matching score to each key point/argument pair, and Key Point Generation, which consists of the generation of key points. The task of Key Point Matching was approached using different models: a pretrained Sentence Transformers model and a tree-constrained Graph Neural Network were tested. The best model was the fine-tuned Sentence Transformers, which achieved a mean Average Precision score of 0.75, ranking 12 compared to other participating teams. The model was then used for the subtask of Key Point Generation using the extractive method in the selection of key point candidates and the model developed for the previous subtask to evaluate them.

Acquisizione di segnali EEG durante compiti di reaching e decodifica mediante rete neurale convoluzionale

La decodifica dei segnali elettroencefalografici (EEG) consiste nell’analisi del segnale per classificare le azioni o lo stato cognitivo di un soggetto. Questi studi possono permettere di comprendere meglio i correlati neurali alla base del movimento, oltre che avere un’applicazione pratica nelle Brain Computer Interfaces. In questo ambito, di rilievo sono le reti neurali convoluzionali (Convolutional Neural Networks, CNNs), che grazie alle loro elevate performance stanno acquisendo importanza nella decodifica del segnale EEG. In questo elaborato di tesi è stata addestrata una CNN precedentemente proposta in letteratura, EEGNet, per classificare i segnali EEG acquisiti durante movimenti di reaching del braccio dominante, sulla base della posizione del target da raggiungere. I dati sono stati acquisiti su dieci soggetti grazie al protocollo sviluppato in questo lavoro, in cui 5 led disposti su una semicirconferenza rappresentano i target del movimento e l’accensione casuale di un led identifica il target da raggiungere in ciascuna prova. I segnali EEG acquisiti sono stati quindi ricampionati, filtrati e suddivisi in epoche di due secondi attorno all’inizio di ciascun movimento, rimuovendo gli artefatti oculari mediante ICA. La rete è stata valutata in tre task di classificazione, uno a cinque classi (una posizione target per classe) e due a tre classi (raggruppando più posizioni target per classe). Per ogni task, la rete è stata addestrata in cross-validazione utilizzando un approccio within-subject. Con questo approccio sono state addestrate e validate 15 CNNs diverse per ogni soggetto. Infine, è stato calcolato l’F1 score per ciascun task di classificazione, mediando i risultati sui soggetti, per valutare quantitativamente le performance della CNN che sono risultati migliori nel classificare target disposti a destra e a sinistra.

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.

Deep Learning Architectures for time of arrival detection in Acoustic Emissions Monitoring

Acoustic Emission (AE) monitoring can be used to detect the presence of damage as well as determine its location in Structural Health Monitoring (SHM) applications. Information on the time difference of the signal generated by the damage event arriving at different sensors is essential in performing localization. This makes the time of arrival (ToA) an important piece of information to retrieve from the AE signal. Generally, this is determined using statistical methods such as the Akaike Information Criterion (AIC) which is particularly prone to errors in the presence of noise. And given that the structures of interest are surrounded with harsh environments, a way to accurately estimate the arrival time in such noisy scenarios is of particular interest. In this work, two new methods are presented to estimate the arrival times of AE signals which are based on Machine Learning. Inspired by great results in the field, two models are presented which are Deep Learning models - a subset of machine learning. They are based on Convolutional Neural Network (CNN) and Capsule Neural Network (CapsNet). The primary advantage of such models is that they do not require the user to pre-define selected features but only require raw data to be given and the models establish non-linear relationships between the inputs and outputs. The performance of the models is evaluated using AE signals generated by a custom ray-tracing algorithm by propagating them on an aluminium plate and compared to AIC. It was found that the relative error in estimation on the test set was < 5% for the models compared to around 45% of AIC. The testing process was further continued by preparing an experimental setup and acquiring real AE signals to test on. Similar performances were observed where the two models not only outperform AIC by more than a magnitude in their average errors but also they were shown to be a lot more robust as compared to AIC which fails in the presence of noise.

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.