Reinforcement learning over encrypted data

Reinforcement learning is a particular paradigm of machine learning that, recently, has proved times and times again to be a very effective and powerful approach. On the other hand, cryptography usually takes the opposite direction. While machine learning aims at analyzing data, cryptography aims at maintaining its privacy by hiding such data. However, the two techniques can be jointly used to create privacy preserving models, able to make inferences on the data without leaking sensitive information. Despite the numerous amount of studies performed on machine learning and cryptography, reinforcement learning in particular has never been applied to such cases before. Being able to successfully make use of reinforcement learning in an encrypted scenario would allow us to create an agent that efficiently controls a system without providing it with full knowledge of the environment it is operating in, leading the way to many possible use cases. Therefore, we have decided to apply the reinforcement learning paradigm to encrypted data. In this project we have applied one of the most well-known reinforcement learning algorithms, called Deep Q-Learning, to simple simulated environments and studied how the encryption affects the training performance of the agent, in order to see if it is still able to learn how to behave even when the input data is no longer readable by humans. The results of this work highlight that the agent is still able to learn with no issues whatsoever in small state spaces with non-secure encryptions, like AES in ECB mode. For fixed environments, it is also able to reach a suboptimal solution even in the presence of secure modes, like AES in CBC mode, showing a significant improvement with respect to a random agent; however, its ability to generalize in stochastic environments or big state spaces suffers greatly.

Sviluppo di un sistema di riconoscimento di stenosi coronariche non gravi.

L’Intelligenza Artificiale è un campo dell’informatica che da tempo si afferma come valido strumento alternativo per la risoluzione di problemi tipicamente riservati esclusivamente all’intelletto umano. Se in principio gli algoritmi sfruttati nel campo dell’Intelligenza Artificiale erano basati su insiemi di regole codificate da esperti del dominio di applicazione dell’algoritmo, con l’arrivo del secondo millennio questo approccio è stato superato in favore di algoritmi che sfruttano grandi quantità di dati ed elevata potenza di calcolo per fare scelte ottimali. Un esempio di questo approccio può essere Deep Blue, che nel 1996, anche grazie ad un database di 4mila aperture e un’architettura che permetteva 11 GFLOPS fu la prima macchina a vincere una partita a scacchi contro un grande maestro. Col passare degli anni, l’aumentare degli investimenti e della ricerca, questo approccio ha portato alla strutturazione del campo dell’Apprendimento Automatico (Machine Learning, in inglese) dal quale sono scaturiti numerosi avanzamenti che hanno influenzato una moltitudine di ambiti: dall’agricoltura di precisione alla traduzione automatica, dal riconoscimento di frodi con carte di credito alla farmaceutica, dal marketing alla visione artificiale e molti altri, inclusa la medicina. Questo lavoro si concentra su proprio questioni relative al campo della medicina. In particolare si occupa di provare a riconoscere se le stenosi coronariche di un paziente sono gravi o meno attraverso l’uso di angiografie coronariche invasive e tomografie coronariche angiografiche; in maniera da diminuire delle angiografie coronariche invasive effettuate su pazienti che non ne hanno davvero bisogno.

Apprendimento non supervisionato di rappresentazioni e legami di similarità tra eventi menzionati nella letteratura biomedica

L'estrazione automatica degli eventi biomedici dalla letteratura scientifica ha catturato un forte interesse nel corso degli ultimi anni, dimostrandosi in grado di riconoscere interazioni complesse e semanticamente ricche espresse all'interno del testo. Purtroppo però, esistono davvero pochi lavori focalizzati sull'apprendimento di embedding o di metriche di similarità per i grafi evento. Questa lacuna lascia le relazioni biologiche scollegate, impedendo l'applicazione di tecniche di machine learning che potrebbero dare un importante contributo al progresso scientifico. Approfittando dei vantaggi delle recenti soluzioni di deep graph kernel e dei language model preaddestrati, proponiamo Deep Divergence Event Graph Kernels (DDEGK), un metodo non supervisionato e induttivo in grado di mappare gli eventi all'interno di uno spazio vettoriale, preservando le loro similarità semantiche e strutturali. Diversamente da molti altri sistemi, DDEGK lavora a livello di grafo e non richiede nè etichette e feature specifiche per un determinato task, nè corrispondenze note tra i nodi. A questo scopo, la nostra soluzione mette a confronto gli eventi con un piccolo gruppo di eventi prototipo, addestra delle reti di cross-graph attention per andare a individuare i legami di similarità tra le coppie di nodi (rafforzando l'interpretabilità), e impiega dei modelli basati su transformer per la codifica degli attributi continui. Sono stati fatti ampi esperimenti su dieci dataset biomedici. Mostriamo che le nostre rappresentazioni possono essere utilizzate in modo efficace in task quali la classificazione di grafi, clustering e visualizzazione e che, allo stesso tempo, sono in grado di semplificare il task di semantic textual similarity. Risultati empirici dimostrano che DDEGK supera significativamente gli altri modelli che attualmente detengono lo stato dell'arte.

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.

Asymmetries in Adversarial Settings

Even without formal guarantees of their effectiveness, adversarial attacks against Machine Learning models frequently fool new defenses. We identify six key asymmetries that contribute to this phenomenon and formulate four guidelines to build future-proof defenses by preventing such asymmetries. We also prove that attacking a classifier is NP-complete, while defending from such attacks is Sigma_2^P-complete. We then introduce Counter-Attack (CA), an asymmetry-free metadefense that determines whether a model is robust on a given input by estimating its distance from the decision boundary. Under specific assumptions CA can provide theoretical detection guarantees. Additionally, we prove that while CA is NP-complete, fooling CA is Sigma_2^P-complete. Even when using heuristic relaxations, we show that our method can reliably identify non-robust points. As part of our experimental evaluation, we introduce UG100, a new dataset obtained by applying a provably optimal attack to six limited-scale networks (three for MNIST and three for CIFAR10), each trained in three different manners.

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++.

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.

Acquisition of Vibration Signals for Predictive Maintenance: a Practical Case

As predictive maintenance becomes more and more relevant in industrial environment, the possible range of applications for this maintenance strategy grows. The progresses in components technology and their reduction in price, together with the late years' advances in machine learning and in computational power, are making the implementation of predictive maintenance possible in plants where it would have previously been unreasonably costly. This is leading major pharmaceutical industries to explore the possibility of the application of condition monitoring systems on progressively less and less critical equipment. The focus of this thesis is on the implementation of a system to gather vibrational data from the motors installed in a pre-existing machine using off-the-shelf components. The final goal for the system is to provide the necessary vibration data, in the form of frequency spectra, to a machine learning system developed by IMA Digital, which will be leveraging such data to predict possible upcoming faults and to give the final client all the information necessary to plan maintenance activity according to the estimated machine condition.

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.

Mitigating non-Lambertian surfaces issues in Stereo Matching with Neural Radiance Fields

Depth estimation from images has long been regarded as a preferable alternative compared to expensive and intrusive active sensors, such as LiDAR and ToF. The topic has attracted the attention of an increasingly wide audience thanks to the great amount of application domains, such as autonomous driving, robotic navigation and 3D reconstruction. Among the various techniques employed for depth estimation, stereo matching is one of the most widespread, owing to its robustness, speed and simplicity in setup. Recent developments has been aided by the abundance of annotated stereo images, which granted to deep learning the opportunity to thrive in a research area where deep networks can reach state-of-the-art sub-pixel precision in most cases. Despite the recent findings, stereo matching still begets many open challenges, two among them being finding pixel correspondences in presence of objects that exhibits a non-Lambertian behaviour and processing high-resolution images. Recently, a novel dataset named Booster, which contains high-resolution stereo pairs featuring a large collection of labeled non-Lambertian objects, has been released. The work shown that training state-of-the-art deep neural network on such data improves the generalization capabilities of these networks also in presence of non-Lambertian surfaces. Regardless being a further step to tackle the aforementioned challenge, Booster includes a rather small number of annotated images, and thus cannot satisfy the intensive training requirements of deep learning. This thesis work aims to investigate novel view synthesis techniques to augment the Booster dataset, with ultimate goal of improving stereo matching reliability in presence of high-resolution images that displays non-Lambertian surfaces.

Introducing CHIMeRA: from the development of a comprehensive biomedical database to the analysis of its sub-components.

In this thesis we discuss the expansion of an existing project, called CHIMeRA, which is a comprehensive biomedical network, and the analysis of its sub-components by using graph theory. We describe how it is structured internally, what are the existing databases from which it retrieves information and what machine learning techniques are used in order to produce new knowledge. We also introduce a new technique for graph exploration that is aimed to speed-up the network cover time under the condition that the analyzed graph is stellar; if this condition is satisfied, the improvement in the performance compared to the conventional exploration technique is extremely appealing. We show that the stellar structure is highly recurrent for sub-networks in CHIMeRA generated by queries, which made this technique even more interesting. Finally, we describe the convenience in using the CHIMeRA network for research purposes and what it could become in a very near future.

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.

Cyber threat intelligence: identifying hardcoded secrets in GitHub

The usage of version control systems and the capabilities of storing the source code in public platforms such as GitHub increased the number of passwords, API Keys and tokens that can be found and used causing a massive security issue for people and companies. In this project, SAP's secret scanner Credential Digger is presented. How it can scan repositories to detect hardcoded secrets and how it manages to filter out the false positives between them. Moreover, how I have implemented the Credential Digger's pre-commit hook. A performance comparison between three different implementations of the hook based on how it interacts with the Machine Learning model is presented. This project also includes how it is possible to use already detected credentials to decrease the number false positive by leveraging the similarity between leaks by using the Bucket System.

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.

Classificazione di oggetti in immagini attraverso il modello Bag of Visual Words

Generic object recognition is an important function of the human visual system and everybody finds it highly useful in their everyday life. For an artificial vision system it is a really hard, complex and challenging task because instances of the same object category can generate very different images, depending of different variables such as illumination conditions, the pose of an object, the viewpoint of the camera, partial occlusions, and unrelated background clutter. The purpose of this thesis is to develop a system that is able to classify objects in 2D images based on the context, and identify to which category the object belongs to. Given an image, the system can classify it and decide the correct categorie of the object. Furthermore the objective of this thesis is also to test the performance and the precision of different supervised Machine Learning algorithms in this specific task of object image categorization. Through different experiments the implemented application reveals good categorization performances despite the difficulty of the problem. However this project is open to future improvement; it is possible to implement new algorithms that has not been invented yet or using other techniques to extract features to make the system more reliable. This application can be installed inside an embedded system and after trained (performed outside the system), so it can become able to classify objects in a real-time. The information given from a 3D stereocamera, developed inside the department of Computer Engineering of the University of Bologna, can be used to improve the accuracy of the classification task. The idea is to segment a single object in a scene using the depth given from a stereocamera and in this way make the classification more accurate.