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.

Progettazione di un kit di supporto ai corsi Project Based Learning: il ruolo del tutor nel modello Tech to Market.

L’istruzione superiore in Europa è stata oggetto di un significativo processo di riforma: è aumentato l’interesse per un modello di apprendimento intorno ai progetti, centrato sullo studente, che favorisse lo sviluppo di competenze trasversali – il project-based learning (PBL). Inserire il PBL nelle Università richiede un processo di innovazione didattica: il curriculum di un corso PBL e le competenze richieste all’insegnante si differenziano dall’apprendimento tradizionale. Senza un'adeguata attenzione ai metodi di supporto per insegnanti e studenti, questi approcci innovativi non saranno ampiamente adottati. L’obiettivo di questo studio è determinare in che modo sia possibile implementare un corso PBL non presenziato da figure esperte di PBL. Le domande della ricerca sono: è possibile implementare efficacemente un approccio PBL senza il coinvolgimento di esperti dei metodi di progettazione? come si declinano i ruoli della facilitazione secondo questa configurazione: come si definisce il ruolo di tutor d’aula? come rafforzare il supporto per l’implementazione del corso? Per rispondere alle domande di ricerca è stata utilizzata la metodologia AIM-R. Viene presentata la prima iterazione dell’implementazione di un corso di questo tipo, durante la quale sono state svolte attività di ricerca e raccolta dati. L’attività di facilitazione è affidata a tre figure diverse: docente, tutor d’aula e coach professionisti. Su questa base, sono stati definiti gli elementi costituenti un kit di materiale a supporto per l’implementazione di corsi PBL. Oltre a un set di documenti e strumenti condivisi, sono stati elaborati i vademecum per guidare studenti, tutor e docenti all’implementazione di questo tipo di corsi. Ricerche future dovranno essere volte a identificare fattori aggiuntivi che rendano applicabile il kit di supporto per corsi basati su un modello diverso dal Tech to Market o che utilizzino strumenti di progettazione diversi da quelli proposti durante la prima iterazione.

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.

Verbalizzazione di eventi biomedici espressi nella letteratura scientifica: generazione controllata di linguaggio naturale da grafi di conoscenza mediante transformer text-to-text

Il periodo in cui viviamo rappresenta la cuspide di una forte e rapida evoluzione nella comprensione del linguaggio naturale, raggiuntasi prevalentemente grazie allo sviluppo di modelli neurali. Nell'ambito dell'information extraction, tali progressi hanno recentemente consentito di riconoscere efficacemente relazioni semantiche complesse tra entità menzionate nel testo, quali proteine, sintomi e farmaci. Tale task -- reso possibile dalla modellazione ad eventi -- è fondamentale in biomedicina, dove la crescita esponenziale del numero di pubblicazioni scientifiche accresce ulteriormente il bisogno di sistemi per l'estrazione automatica delle interazioni racchiuse nei documenti testuali. La combinazione di AI simbolica e sub-simbolica può consentire l'introduzione di conoscenza strutturata nota all'interno di language model, rendendo quest'ultimi più robusti, fattuali e interpretabili. In tale contesto, la verbalizzazione di grafi è uno dei task su cui si riversano maggiori aspettative. Nonostante l'importanza di tali contributi (dallo sviluppo di chatbot alla formulazione di nuove ipotesi di ricerca), ad oggi, risultano assenti contributi capaci di verbalizzare gli eventi biomedici espressi in letteratura, apprendendo il legame tra le interazioni espresse in forma a grafo e la loro controparte testuale. La tesi propone il primo dataset altamente comprensivo su coppie evento-testo, includendo diverse sotto-aree biomediche, quali malattie infettive, ricerca oncologica e biologia molecolare. Il dataset introdotto viene usato come base per l'addestramento di modelli generativi allo stato dell'arte sul task di verbalizzazione, adottando un approccio text-to-text e illustrando una tecnica formale per la codifica di grafi evento mediante testo aumentato. Infine, si dimostra la validità degli eventi per il miglioramento delle capacità di comprensione dei modelli neurali su altri task NLP, focalizzandosi su single-document summarization e multi-task learning.

Information Usefulness To Support Dialogue Management in Healthcare

The main objective of the framework we are proposing is to help the physician obtain information about the patient's condition in order to reach the \emph{correct} diagnosis as soon as possible. In our proposal, the number of interactions between the physician and the patient is reduced to a strict minimum on the one hand and, on the other hand, it is made possible to increase the number of questions to be asked if the uncertainty about the diagnosis persists. These advantages are due to the fact that (i) we implement a reasoning component that allows us to predict a symptom from another symptom without explicitly asking the patient, (ii) we consider non-binary values for the weights associated with the symptoms, we introduce a dataset filtering process in order to choose which partition should be used with respect to some particular characteristics of the patient, and, in addition, (iv) it was added new functionality to the framework: the ability to detect further future risks of a patient already knowing his pathology. The experimental results we obtained are very encouraging

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.

Rilevamento della qualità del manto stradale: un approccio sperimentale tramite Machine Learning

Il riconoscimento delle condizioni del manto stradale partendo esclusivamente dai dati raccolti dallo smartphone di un ciclista a bordo del suo mezzo è un ambito di ricerca finora poco esplorato. Per lo sviluppo di questa tesi è stata sviluppata un'apposita applicazione, che combinata a script Python permette di riconoscere differenti tipologie di asfalto. L’applicazione raccoglie i dati rilevati dai sensori di movimento integrati nello smartphone, che registra i movimenti mentre il ciclista è alla guida del suo mezzo. Lo smartphone è fissato in un apposito holder fissato sul manubrio della bicicletta e registra i dati provenienti da giroscopio, accelerometro e magnetometro. I dati sono memorizzati su file CSV, che sono elaborati fino ad ottenere un unico DataSet contenente tutti i dati raccolti con le features estratte mediante appositi script Python. A ogni record sarà assegnato un cluster deciso in base ai risultati prodotti da K-means, risultati utilizzati in seguito per allenare algoritmi Supervised. Lo scopo degli algoritmi è riconoscere la tipologia di manto stradale partendo da questi dati. Per l’allenamento, il DataSet è stato diviso in due parti: il training set dal quale gli algoritmi imparano a classificare i dati e il test set sul quale gli algoritmi applicano ciò che hanno imparato per dare in output la classificazione che ritengono idonea. Confrontando le previsioni degli algoritmi con quello che i dati effettivamente rappresentano si ottiene la misura dell’accuratezza dell’algoritmo.

Sviluppo di un’app mobile con Realtà Aumentata e Machine Learning in contesto di biodiversità

Il volume di tesi ha riguardato lo sviluppo di un'applicazione mobile che sfrutta la Realtà Aumentata e il Machine Learning nel contesto della biodiversità. Nello specifico si è realizzato un modello di AI che permetta la classificazione di immagini di fiori. Tale modello è stato poi integrato in Android, al fine della realizzazione di un'app che riesca a riconoscere specifiche specie di fiori, oltre a individuare gli insetti impollinatori attratti da essi e rappresentarli in Realtà Aumentata.

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.

The “FRA wheel” as a teaching tool to elaborate on the identity aspects of physics and mathematics as disciplines in interdisciplinary contexts

This thesis project is framed in the research field of Physics Education and aims to contribute to the reflection on the importance of disciplinary identities in addressing interdisciplinarity through the lens of the Nature of Science (NOS). In particular, the study focuses on the module on the parabola and parabolic motion, which was designed within the EU project IDENTITIES. The project aims to design modules to innovate pre-service teacher education according to contemporary challenges, focusing on interdisciplinarity in curricular and STEM topics (especially between physics, mathematics and computer science). The modules are designed according to a model of disciplines and interdisciplinarity that the project IDENTITIES has been elaborating on two main theoretical frameworks: the Family Resemblance Approach (FRA), reconceptualized for the Nature of science (Erduran & Dagher, 2014), and the boundary crossing and boundary objects framework by Akkerman and Bakker (2011). The main aim of the thesis is to explore the impact of this interdisciplinary model in the specific case of the implementation of the parabola and parabolic motion module in a context of preservice teacher education. To reach this purpose, we have analyzed some data collected during the implementation in order to investigate, in particular, the role of the FRA as a learning tool to: a) elaborate on the concept of “discipline”, within the broader problem to define interdisciplinarity; b) compare the epistemic core of physics and mathematics; c) develop epistemic skills and interdisciplinary competences in student-teachers. The analysis of the data led us to recognize three different roles played by the FRA: FRA as epistemological activator, FRA as scaffolding for reasoning and navigating (inhabiting) the complexity, and FRA as lens to investigate the relationship between physics and mathematics in the historical case.

Tecniche di deep learning per il monitoraggio del processo nell’industria dello pneumatico

Il seguente elaborato affronta l'implementazione di un algoritmo che affronta un problema di controllo di processo in ambito industriale utilizzando algoritmi di object detection. Infatti, il progetto concordato con il professore Di Stefano si è svolto in collaborazione con l’azienda Pirelli, nell’ambito della produzione di pneumatici. Lo scopo dell'algoritmo implementato è di verificare il preciso orientamento di elementi grafici della copertura, utilizzati dalle case automobilistiche per equipaggiare correttamente le vetture. In particolare, si devono individuare delle scritte sul battistrada della copertura e identificarne la posizione rispetto ad altri elementi fissati su di essa. La tesi affronta questo task in due parti distinte: la prima consiste nel training di algoritmi di deep learning per il riconoscimento degli elementi grafici e del battistrada, la seconda è un decisore che opera a valle del primo sistema utilizzando gli output delle reti allenate.

Metodologie di Corrispondenza Stereo Basate su Deep Learning per Superfici Altamente Riflettenti e Trasparenti: Dataset e Architettura

Nell’ambito della Stereo Vision, settore della Computer Vision, partendo da coppie di immagini RGB, si cerca di ricostruire la profondità della scena. La maggior parte degli algoritmi utilizzati per questo compito ipotizzano che tutte le superfici presenti nella scena siano lambertiane. Quando sono presenti superfici non lambertiane (riflettenti o trasparenti), gli algoritmi stereo esistenti sbagliano la predizione della profondità. Per risolvere questo problema, durante l’esperienza di tirocinio, si è realizzato un dataset contenente oggetti trasparenti e riflettenti che sono la base per l’allenamento della rete. Agli oggetti presenti nelle scene sono associate annotazioni 3D usate per allenare la rete. Invece, nel seguente lavoro di tesi, utilizzando l’algoritmo RAFT-Stereo [1], rete allo stato dell’arte per la stereo vision, si analizza come la rete modifica le sue prestazioni (predizione della disparità) se al suo interno viene inserito un modulo per la segmentazione semantica degli oggetti. Si introduce questo layer aggiuntivo perché, trovare la corrispondenza tra due punti appartenenti a superfici lambertiane, risulta essere molto complesso per una normale rete. Si vuole utilizzare l’informazione semantica per riconoscere questi tipi di superfici e così migliorarne la disparità. È stata scelta questa architettura neurale in quanto, durante l’esperienza di tirocinio riguardante la creazione del dataset Booster [2], è risultata la migliore su questo dataset. L’obiettivo ultimo di questo lavoro è vedere se il riconoscimento di superfici non lambertiane, da parte del modulo semantico, influenza la predizione della disparità migliorandola. Nell’ambito della stereo vision, gli elementi riflettenti e trasparenti risultano estremamente complessi da analizzare, ma restano tuttora oggetto di studio dati gli svariati settori di applicazione come la guida autonoma e la robotica.

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.

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.

Machine Learning in Applicazione alla Prevenzione del Morbo di Alzheimer

Il morbo di Alzheimer è ancora una malattia incurabile. Negli ultimi anni l'aumento progressivo dell'aspettativa di vita ha contribuito a un'insorgenza maggiore di questa patologia, specialmente negli stati con l'età media più alta, tra cui l'Italia. La prevenzione risulta una delle poche vie con cui è possibile arginarne lo sviluppo, ed in questo testo vengono analizzate le potenzialità di alcune tecniche di Machine Learning atte alla creazione di modelli di supporto diagnostico per Alzheimer. Dopo un'opportuna introduzione al morbo di Alzheimer ed al funzionamento generale del Machine Learning, vengono presentate e approfondite due delle tecniche più promettenti per la diagnosi di patologie neurologiche, ovvero la Support Vector Machine (macchina a supporto vettoriale, SVM) e la Convolutional Neural Network (rete neurale convoluzionale, CNN), con annessi risultati, punti di forza e principali debolezze. La conclusione verterà sul possibile futuro delle intelligenze artificiali, con particolare attenzione all'ambito sanitario, e verranno discusse le principali difficoltà nelle quali queste incombono prima di essere commercializzate, insieme a plausibili soluzioni.