Deep learning for computer vision: a comparison between convolutional neural networks and hierarchical temporal memories on object recognition tasks

In recent years, Deep Learning techniques have shown to perform well on a large variety of problems both in Computer Vision and Natural Language Processing, reaching and often surpassing the state of the art on many tasks. The rise of deep learning is also revolutionizing the entire field of Machine Learning and Pattern Recognition pushing forward the concepts of automatic feature extraction and unsupervised learning in general. However, despite the strong success both in science and business, deep learning has its own limitations. It is often questioned if such techniques are only some kind of brute-force statistical approaches and if they can only work in the context of High Performance Computing with tons of data. Another important question is whether they are really biologically inspired, as claimed in certain cases, and if they can scale well in terms of "intelligence". The dissertation is focused on trying to answer these key questions in the context of Computer Vision and, in particular, Object Recognition, a task that has been heavily revolutionized by recent advances in the field. Practically speaking, these answers are based on an exhaustive comparison between two, very different, deep learning techniques on the aforementioned task: Convolutional Neural Network (CNN) and Hierarchical Temporal memory (HTM). They stand for two different approaches and points of view within the big hat of deep learning and are the best choices to understand and point out strengths and weaknesses of each of them. CNN is considered one of the most classic and powerful supervised methods used today in machine learning and pattern recognition, especially in object recognition. CNNs are well received and accepted by the scientific community and are already deployed in large corporation like Google and Facebook for solving face recognition and image auto-tagging problems. HTM, on the other hand, is known as a new emerging paradigm and a new meanly-unsupervised method, that is more biologically inspired. It tries to gain more insights from the computational neuroscience community in order to incorporate concepts like time, context and attention during the learning process which are typical of the human brain. In the end, the thesis is supposed to prove that in certain cases, with a lower quantity of data, HTM can outperform CNN.

Miglioramento della qualità di algoritmi di face morphing generation

L'obiettivo principale di questo lavoro di tesi è quello di migliorare gli algoritmi di morphing generation in termini di qualità visiva e di potenzialità di attacco dei sistemi automatici di riconoscimento facciale.

Progettazione e implementazione di un sistema di autorizzazione elettronico per il trasporto auto di persone disabili con validazione biometrica

Notizie riguardanti scandali relativi al utilizzo inappropriato di contrassegni per disabili sono all’ordine del giorno. Situazioni meno popolari dal punto di vista mediatico, ma altrettanto gravi a livello sociale coinvolgono tutti quegli individui che si prodigano a falsificare contrassegni oppure ad utilizzarli anche in mancanza del disabile, eventualmente anche successivamente al decesso del medesimo. Tutto questo va inevitabilmente a discapito di tutti coloro che hanno reale diritto e necessità di usufruire delle agevolazioni. Lo scopo di questa tesi è quindi quello di illustrare un possibile sistema per contrastare e possibilmente debellare questo malcostume diffusissimo in Italia. La proposta è quella di dematerializzare il pass cartaceo sostituendolo con un equiva- lente elettronico, temporaneo e associato non più ad una targa, ma all’individuo stesso. Per farlo si ricorrerà all’uso di tecniche di autenticazione attraverso sistemi biometrici, quali il riconoscimento facciale, vocale, di espressioni facciali e gestures.

Tecniche di riconoscimento del volto in presenza di makeup

Il makeup, come strumento atto a modificare i tratti somatici di un individuo per aumentarne la bellezza, è largamente diffuso e socialmente accettabile al giorno d’oggi. Per la sua facile reperibilità, semplicità di utilizzo e capacità di alterare le caratteristiche principali di un volto, può diventare uno strumento pericoloso per chi volesse sottrarsi a dei controlli. In questo lavoro di tesi sono stati analizzati algoritmi presenti in letteratura che cercano di arginare gli effetti di alterazione di un viso, causati dal makeup, durante un processo di riconoscimento del volto. Inoltre è stato utilizzato un software per verificare la robustezza dei programmi commerciali in merito al problema del makeup e confrontare poi i risultati riscontrati in letteratura con quelli ottenuti dai test.

Smart Mirror: remote verification of an identity document holder

Nowadays, some activities, such as subscribing an insurance policy or opening a bank account, are possible by navigating through a web page or a downloadable application. Since the user is often “hidden” behind a monitor or a smartphone, it is necessary a solution able to guarantee about their identity. Companies are often requiring the submission of a “proof-of-identity”, which usually consists in a picture of an identity document of the user, together with a picture or a brief video of themselves. This work describes a system whose purpose is the automation of these kinds of verifications.

Non-evolutive pattern recognition techniques: An application in medical image diagnostics

Lo studio dell’intelligenza artificiale si pone come obiettivo la risoluzione di una classe di problemi che richiedono processi cognitivi difficilmente codificabili in un algoritmo per essere risolti. Il riconoscimento visivo di forme e figure, l’interpretazione di suoni, i giochi a conoscenza incompleta, fanno capo alla capacità umana di interpretare input parziali come se fossero completi, e di agire di conseguenza. Nel primo capitolo della presente tesi sarà costruito un semplice formalismo matematico per descrivere l’atto di compiere scelte. Il processo di “apprendimento” verrà descritto in termini della massimizzazione di una funzione di prestazione su di uno spazio di parametri per un ansatz di una funzione da uno spazio vettoriale ad un insieme finito e discreto di scelte, tramite un set di addestramento che descrive degli esempi di scelte corrette da riprodurre. Saranno analizzate, alla luce di questo formalismo, alcune delle più diffuse tecniche di artificial intelligence, e saranno evidenziate alcune problematiche derivanti dall’uso di queste tecniche. Nel secondo capitolo lo stesso formalismo verrà applicato ad una ridefinizione meno intuitiva ma più funzionale di funzione di prestazione che permetterà, per un ansatz lineare, la formulazione esplicita di un set di equazioni nelle componenti del vettore nello spazio dei parametri che individua il massimo assoluto della funzione di prestazione. La soluzione di questo set di equazioni sarà trattata grazie al teorema delle contrazioni. Una naturale generalizzazione polinomiale verrà inoltre mostrata. Nel terzo capitolo verranno studiati più nel dettaglio alcuni esempi a cui quanto ricavato nel secondo capitolo può essere applicato. Verrà introdotto il concetto di grado intrinseco di un problema. Verranno inoltre discusse alcuni accorgimenti prestazionali, quali l’eliminazione degli zeri, la precomputazione analitica, il fingerprinting e il riordino delle componenti per lo sviluppo parziale di prodotti scalari ad alta dimensionalità. Verranno infine introdotti i problemi a scelta unica, ossia quella classe di problemi per cui è possibile disporre di un set di addestramento solo per una scelta. Nel quarto capitolo verrà discusso più in dettaglio un esempio di applicazione nel campo della diagnostica medica per immagini, in particolare verrà trattato il problema della computer aided detection per il rilevamento di microcalcificazioni nelle mammografie.