A Reinforcement Learning Agent for Distributed Task Allocation

Al giorno d'oggi il reinforcement learning ha dimostrato di essere davvero molto efficace nel machine learning in svariati campi, come ad esempio i giochi, il riconoscimento vocale e molti altri. Perciò, abbiamo deciso di applicare il reinforcement learning ai problemi di allocazione, in quanto sono un campo di ricerca non ancora studiato con questa tecnica e perchè questi problemi racchiudono nella loro formulazione un vasto insieme di sotto-problemi con simili caratteristiche, per cui una soluzione per uno di essi si estende ad ognuno di questi sotto-problemi. In questo progetto abbiamo realizzato un applicativo chiamato Service Broker, il quale, attraverso il reinforcement learning, apprende come distribuire l'esecuzione di tasks su dei lavoratori asincroni e distribuiti. L'analogia è quella di un cloud data center, il quale possiede delle risorse interne - possibilmente distribuite nella server farm -, riceve dei tasks dai suoi clienti e li esegue su queste risorse. L'obiettivo dell'applicativo, e quindi del data center, è quello di allocare questi tasks in maniera da minimizzare il costo di esecuzione. Inoltre, al fine di testare gli agenti del reinforcement learning sviluppati è stato creato un environment, un simulatore, che permettesse di concentrarsi nello sviluppo dei componenti necessari agli agenti, invece che doversi anche occupare di eventuali aspetti implementativi necessari in un vero data center, come ad esempio la comunicazione con i vari nodi e i tempi di latenza di quest'ultima. I risultati ottenuti hanno dunque confermato la teoria studiata, riuscendo a ottenere prestazioni migliori di alcuni dei metodi classici per il task allocation.

Detecting social patterns within 20th century documentary photos: a deep learning based approach

The job of a historian is to understand what happened in the past, resorting in many cases to written documents as a firsthand source of information. Text, however, does not amount to the only source of knowledge. Pictorial representations, in fact, have also accompanied the main events of the historical timeline. In particular, the opportunity of visually representing circumstances has bloomed since the invention of photography, with the possibility of capturing in real-time the occurrence of a specific events. Thanks to the widespread use of digital technologies (e.g. smartphones and digital cameras), networking capabilities and consequent availability of multimedia content, the academic and industrial research communities have developed artificial intelligence (AI) paradigms with the aim of inferring, transferring and creating new layers of information from images, videos, etc. Now, while AI communities are devoting much of their attention to analyze digital images, from an historical research standpoint more interesting results may be obtained analyzing analog images representing the pre-digital era. Within the aforementioned scenario, the aim of this work is to analyze a collection of analog documentary photographs, building upon state-of-the-art deep learning techniques. In particular, the analysis carried out in this thesis aims at producing two following results: (a) produce the date of an image, and, (b) recognizing its background socio-cultural context,as defined by a group of historical-sociological researchers. Given these premises, the contribution of this work amounts to: (i) the introduction of an historical dataset including images of “Family Album” among all the twentieth century, (ii) the introduction of a new classification task regarding the identification of the socio-cultural context of an image, (iii) the exploitation of different deep learning architectures to perform the image dating and the image socio-cultural context classification.

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.

Deep learning models for the automatic analysis of volleyball plays

Collecting and analysing data is an important element in any field of human activity and research. Even in sports, collecting and analyzing statistical data is attracting a growing interest. Some exemplar use cases are: improvement of technical/tactical aspects for team coaches, definition of game strategies based on the opposite team play or evaluation of the performance of players. Other advantages are related to taking more precise and impartial judgment in referee decisions: a wrong decision can change the outcomes of important matches. Finally, it can be useful to provide better representations and graphic effects that make the game more engaging for the audience during the match. Nowadays it is possible to delegate this type of task to automatic software systems that can use cameras or even hardware sensors to collect images or data and process them. One of the most efficient methods to collect data is to process the video images of the sporting event through mixed techniques concerning machine learning applied to computer vision. As in other domains in which computer vision can be applied, the main tasks in sports are related to object detection, player tracking, and to the pose estimation of athletes. The goal of the present thesis is to apply different models of CNNs to analyze volleyball matches. Starting from video frames of a volleyball match, we reproduce a bird's eye view of the playing court where all the players are projected, reporting also for each player the type of action she/he is performing.

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.

Dynamic Human Robot Interaction Framework Using Deep Learning and Robot Operating System (ROS): a practical approach

Trying to explain to a robot what to do is a difficult undertaking, and only specific types of people have been able to do so far, such as programmers or operators who have learned how to use controllers to communicate with a robot. My internship's goal was to create and develop a framework that would make that easier. The system uses deep learning techniques to recognize a set of hand gestures, both static and dynamic. Then, based on the gesture, it sends a command to a robot. To be as generic as feasible, the communication is implemented using Robot Operating System (ROS). Furthermore, users can add new recognizable gestures and link them to new robot actions; a finite state automaton enforces the users' input verification and correct action sequence. Finally, the users can create and utilize a macro to describe a sequence of actions performable by a robot.

Tecniche di Deep Learning per il riconoscimento di errori nel codice

Il ruolo dell’informatica è diventato chiave del funzionamento del mondo moderno, ormai sempre più in progressiva digitalizzazione di ogni singolo aspetto della vita dell’individuo. Con l’aumentare della complessità e delle dimensioni dei programmi, il rilevamento di errori diventa sempre di più un’attività difficile e che necessita l’impiego di tempo e risorse. Meccanismi di analisi del codice sorgente tradizionali sono esistiti fin dalla nascita dell’informatica stessa e il loro ruolo all’interno della catena produttiva di un team di programmatori non è mai stato cosi fondamentale come lo è tuttora. Questi meccanismi di analisi, però, non sono esenti da problematiche: il tempo di esecuzione su progetti di grandi dimensioni e la percentuale di falsi positivi possono, infatti, diventare un importante problema. Per questi motivi, meccanismi fondati su Machine Learning, e più in particolare Deep Learning, sono stati sviluppati negli ultimi anni. Questo lavoro di tesi si pone l’obbiettivo di esplorare e sviluppare un modello di Deep Learning per il riconoscimento di errori in un qualsiasi file sorgente scritto in linguaggio C e C++.

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.

Identificazione di caratteristiche rilevanti in capi di abbigliamento mediante deep-learning

Il mondo della moda è in continua e costante evoluzione, non solo dal punto di vista sociale, ma anche da quello tecnologico. Nel corso del presente elaborato si è studiata la possibilità di riconoscere e segmentare abiti presenti in una immagine utilizzando reti neurali profonde e approcci moderni. Sono state, quindi, analizzate reti quali FasterRCNN, MaskRCNN, YOLOv5, FashionPedia e Match-RCNN. In seguito si è approfondito l’addestramento delle reti neurali profonde in scenari di alta parallelizzazione e su macchine dotate di molteplici GPU al fine di ridurre i tempi di addestramento. Inoltre si è sperimentata la possibilità di creare una rete per prevedere se un determinato abito possa avere successo in futuro analizzando semplicemente dati passati e una immagine del vestito in questione. Necessaria per tali compiti è stata, inoltre, una approfondita analisi dei dataset esistenti nel mondo della moda e dei metodi per utilizzarli per l’addestramento. Il presente elaborato è stato svolto nell’ambito del progetto FA.RE.TRA. per il quale l'Università di Bologna svolge un compito di consulenza per lo studio di fattibilità su reti neurali in grado di svolgere i compiti menzionati.

Convolutional Neural Network Architectures for Template Matching

The Neural Networks customized and tested in this thesis (WaldoNet, FlowNet and PatchNet) are a first exploration and approach to the Template Matching task. The possibilities of extension are therefore many and some are proposed below. During my thesis, I have analyzed the functioning of the classical algorithms and adapted with deep learning algorithms. The features extracted from both the template and the query images resemble the keypoints of the SIFT algorithm. Then, instead of similarity function or keypoints matching, WaldoNet and PatchNet use the convolutional layer to compare the features, while FlowNet uses the correlational layer. In addition, I have identified the major challenges of the Template Matching task (affine/non-affine transformations, intensity changes...) and solved them with a careful design of the dataset.

Self-supervised Information Retrieval basato su deep metric learning

La tesi ha lo scopo di ricercare, esaminare ed implementare un sistema di Machine Learning, un Recommendation Systems per precisione, che permetta la racommandazione di documenti di natura giuridica, i quali sono già stati analizzati e categorizzati appropriatamente, in maniera ottimale, il cui scopo sarebbe quello di accompagnare un sistema già implementato di Information Retrieval, istanziato sopra una web application, che permette di ricercare i documenti giuridici appena menzionati.

Smart sampling approaches for Decision-Focused Learning

Many real-word decision- making problems are defined based on forecast parameters: for example, one may plan an urban route by relying on traffic predictions. In these cases, the conventional approach consists in training a predictor and then solving an optimization problem. This may be problematic since mistakes made by the predictor may trick the optimizer into taking dramatically wrong decisions. Recently, the field of Decision-Focused Learning overcomes this limitation by merging the two stages at training time, so that predictions are rewarded and penalized based on their outcome in the optimization problem. There are however still significant challenges toward a widespread adoption of the method, mostly related to the limitation in terms of generality and scalability. One possible solution for dealing with the second problem is introducing a caching-based approach, to speed up the training process. This project aims to investigate these techniques, in order to reduce even more, the solver calls. For each considered method, we designed a particular smart sampling approach, based on their characteristics. In the case of the SPO method, we ended up discovering that it is only necessary to initialize the cache with only several solutions; those needed to filter the elements that we still need to properly learn. For the Blackbox method, we designed a smart sampling approach, based on inferred solutions.

Metodi di deep learning per la decodifica di segnali neurali registrati dalla corteccia posteriore parietale di macaco

Le interfacce cervello-macchina (BMIs) permettono di guidare devices esterni utilizzando segnali neurali. Le BMIs rappresentano un’importante tecnologia per tentare di ripristinare funzioni perse in patologie che interrompono il canale di comunicazione tra cervello e corpo, come malattie neurodegenerative o lesioni spinali. Di importanza chiave per il corretto funzionamento di una BCI è la decodifica dei segnali neurali per trasformarli in segnali idonei per guidare devices esterni. Negli anni sono stati implementati diversi tipi di algoritmi. Tra questi gli algoritmi di machine learning imparano a riconoscere i pattern neurali di attivazione mappando con grande efficienza l’input, possibilmente l’attività dei neuroni, con l’output, ad esempio i comandi motori per guidare una possibile protesi. Tra gli algoritmi di machine learning ci si è focalizzati sulle deep neural networks (DNN). Un problema delle DNN è l’elevato tempo di training. Questo infatti prevede il calcolo dei parametri ottimali della rete per minimizzare l’errore di predizione. Per ridurre questo problema si possono utilizzare le reti neurali convolutive (CNN), reti caratterizzate da minori parametri di addestramento rispetto ad altri tipi di DNN con maggiori parametri come le reti neurali ricorrenti (RNN). In questo elaborato è esposto uno studio esplorante l’utilizzo innovativo di CNN per la decodifica dell’attività di neuroni registrati da macaco sveglio mentre svolgeva compiti motori. La CNN risultante ha consentito di ottenere risultati comparabili allo stato dell’arte con un minor numero di parametri addestrabili. Questa caratteristica in futuro potrebbe essere chiave per l’utilizzo di questo tipo di reti all’interno di BMIs grazie ai tempi di calcolo ridotti, consentendo in tempo reale la traduzione di un segnale neurale in segnali per muovere neuroprotesi.

Synthetic generation of amyloid PET images by non-linear dimensionality reduction inversion

Privacy issues and data scarcity in PET field call for efficient methods to expand datasets via synthetic generation of new data that cannot be traced back to real patients and that are also realistic. In this thesis, machine learning techniques were applied to 1001 amyloid-beta PET images, which had undergone a diagnosis of Alzheimer’s disease: the evaluations were 540 positive, 457 negative and 4 unknown. Isomap algorithm was used as a manifold learning method to reduce the dimensions of the PET dataset; a numerical scale-free interpolation method was applied to invert the dimensionality reduction map. The interpolant was tested on the PET images via LOOCV, where the removed images were compared with the reconstructed ones with the mean SSIM index (MSSIM = 0.76 ± 0.06). The effectiveness of this measure is questioned, since it indicated slightly higher performance for a method of comparison using PCA (MSSIM = 0.79 ± 0.06), which gave clearly poor quality reconstructed images with respect to those recovered by the numerical inverse mapping. Ten synthetic PET images were generated and, after having been mixed with ten originals, were sent to a team of clinicians for the visual assessment of their realism; no significant agreements were found either between clinicians and the true image labels or among the clinicians, meaning that original and synthetic images were indistinguishable. The future perspective of this thesis points to the improvement of the amyloid-beta PET research field by increasing available data, overcoming the constraints of data acquisition and privacy issues. Potential improvements can be achieved via refinements of the manifold learning and the inverse mapping stages during the PET image analysis, by exploring different combinations in the choice of algorithm parameters and by applying other non-linear dimensionality reduction algorithms. A final prospect of this work is the search for new methods to assess image reconstruction quality.

Antibody-Antigen Interface Characterization with Contextualized Pre-trained Embeddings

Artificial Intelligence (AI) has substantially influenced numerous disciplines in recent years. Biology, chemistry, and bioinformatics are among them, with significant advances in protein structure prediction, paratope prediction, protein-protein interactions (PPIs), and antibody-antigen interactions. Understanding PPIs is critical since they are responsible for practically everything living and have several uses in vaccines, cancer, immunology, and inflammatory illnesses. Machine Learning (ML) offers enormous potential for effectively simulating antibody-antigen interactions and improving in-silico optimization of therapeutic antibodies for desired features, including binding activity, stability, and low immunogenicity. This research looks at the use of AI algorithms to better understand antibody-antigen interactions, and it further expands and explains several difficulties encountered in the field. Furthermore, we contribute by presenting a method that outperforms existing state-of-the-art strategies in paratope prediction from sequence data.