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.

Graph theory and geometric deep learning

La seguente tesi propone un’introduzione al geometric deep learning. Nella prima parte vengono presentati i concetti principali di teoria dei grafi ed introdotta una dinamica di diffusione su grafo, in analogia con l’equazione del calore. A seguire, iniziando dal linear classifier verranno introdotte le architetture che hanno portato all’ideazione delle graph convolutional networks. In conclusione, si analizzano esempi di alcuni algoritmi utilizzati nel geometric deep learning e si mostra una loro implementazione sul Cora dataset, un insieme di dati con struttura a grafo.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

A deep learning model for controlling the galvanizing process in a production line

In the industry of steelmaking, the process of galvanizing is a treatment which is applied to protect the steel from corrosion. The air knife effect (AKE) occurs when nozzles emit a steam of air on the surfaces of a steel strip to remove excess zinc from it. In our work we formalized the problem to control the AKE and we implemented, with the R&D dept.of MarcegagliaSPA, a DL model able to drive the AKE. We call it controller. It takes as input the tuple : a tuple of the physical conditions of the process line (t,h,s) with the target value of the zinc coating (c); and generates the expected tuple of (pres and dist) to drive the mechanical nozzles towards the (c). According to the requirements we designed the structure of the network. We collected and explored the data set of the historical data of the smart factory. Finally, we designed the loss function as sum of three components: the minimization between the coating addressed by the network and the target value we want to reach; and two weighted minimization components for both pressure and distance. In our solution we construct a second module, named coating net, to predict the coating of zinc resulting from the AKE when the conditions are applied to the prod. line. Its structure is made by a linear and a deep nonlinear “residual” component learned by empirical observations. The predictions made by the coating nets are used as ground truth in the loss function of the controller. By tuning the weights of the different components of the loss function, it is possible to train models with slightly different optimization purposes. In the tests we compared the regularization of different strategies with the standard one in condition of optimal estimation for both; the overall accuracy is ± 3 g/m^2 dal target for all of them. Lastly, we analyze how the controller modeled the current solutions with the new logic: the sub-optimal values of pres and dist can be optimize of 50% and 20%.

Application of active and transfer learning to wound image segmentation

Wound management is a fundamental task in standard clinical practice. Automated solutions already exist for humans, but there is a lack of applications on wound management for pets. The importance of a precise and efficient wound assessment is helpful to improve diagnosis and to increase the effectiveness of treatment plans for the chronic wounds. The goal of the research was to propose an automated pipeline capable of segmenting natural light-reflected wound images of animals. Two datasets composed by light-reflected images were used in this work: Deepskin dataset, 1564 human wound images obtained during routine dermatological exams, with 145 manual annotated images; Petwound dataset, a set of 290 wound photos of dogs and cats with 0 annotated images. Two implementations of U-Net Convolutioal Neural Network model were proposed for the automated segmentation. Active Semi-Supervised Learning techniques were applied for human-wound images to perform segmentation from 10% of annotated images. Then the same models were trained, via Transfer Learning, adopting an Active Semi- upervised Learning to unlabelled animal-wound images. The combination of the two training strategies proved their effectiveness in generating large amounts of annotated samples (94% of Deepskin, 80% of PetWound) with the minimal human intervention. The correctness of automated segmentation were evaluated by clinical experts at each round of training thus we can assert that the results obtained in this thesis stands as a reliable solution to perform a correct wound image segmentation. The use of Transfer Learning and Active Semi-Supervied Learning allows to minimize labelling effort from clinicians, even requiring no starting manual annotation at all. Moreover the performances of the model with limited number of parameters suggest the implementation of smartphone-based application to this topic, helping the future standardization of light-reflected images as acknowledge medical images.

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.

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.

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.

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.

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.