An approach to predicting bowing control parameter contours in violin performance

We present a machine learning approach to modeling bowing control parametercontours in violin performance. Using accurate sensing techniqueswe obtain relevant timbre-related bowing control parameters such as bowtransversal velocity, bow pressing force, and bow-bridge distance of eachperformed note. Each performed note is represented by a curve parametervector and a number of note classes are defined. The principal componentsof the data represented by the set of curve parameter vectors are obtainedfor each class. Once curve parameter vectors are expressed in the new spacedefined by the principal components, we train a model based on inductivelogic programming, able to predict curve parameter vectors used for renderingbowing controls. We evaluate the prediction results and show the potentialof the model by predicting bowing control parameter contours from anannotated input score.

Functional error modeling for uncertainty quantification in hydrogeology

Approximate models (proxies) can be employed to reduce the computational costs of estimating uncertainty. The price to pay is that the approximations introduced by the proxy model can lead to a biased estimation. To avoid this problem and ensure a reliable uncertainty quantification, we propose to combine functional data analysis and machine learning to build error models that allow us to obtain an accurate prediction of the exact response without solving the exact model for all realizations. We build the relationship between proxy and exact model on a learning set of geostatistical realizations for which both exact and approximate solvers are run. Functional principal components analysis (FPCA) is used to investigate the variability in the two sets of curves and reduce the dimensionality of the problem while maximizing the retained information. Once obtained, the error model can be used to predict the exact response of any realization on the basis of the sole proxy response. This methodology is purpose-oriented as the error model is constructed directly for the quantity of interest, rather than for the state of the system. Also, the dimensionality reduction performed by FPCA allows a diagnostic of the quality of the error model to assess the informativeness of the learning set and the fidelity of the proxy to the exact model. The possibility of obtaining a prediction of the exact response for any newly generated realization suggests that the methodology can be effectively used beyond the context of uncertainty quantification, in particular for Bayesian inference and optimization.

A Sparse Bayesian Approach for Joint Feature Selection and Classifier Learning

Peer-reviewed

Kernel-Based Ranking. Methods for Learning and Performance Estimation

Machine learning provides tools for automated construction of predictive models in data intensive areas of engineering and science. The family of regularized kernel methods have in the recent years become one of the mainstream approaches to machine learning, due to a number of advantages the methods share. The approach provides theoretically well-founded solutions to the problems of under- and overfitting, allows learning from structured data, and has been empirically demonstrated to yield high predictive performance on a wide range of application domains. Historically, the problems of classification and regression have gained the majority of attention in the field. In this thesis we focus on another type of learning problem, that of learning to rank. In learning to rank, the aim is from a set of past observations to learn a ranking function that can order new objects according to how well they match some underlying criterion of goodness. As an important special case of the setting, we can recover the bipartite ranking problem, corresponding to maximizing the area under the ROC curve (AUC) in binary classification. Ranking applications appear in a large variety of settings, examples encountered in this thesis include document retrieval in web search, recommender systems, information extraction and automated parsing of natural language. We consider the pairwise approach to learning to rank, where ranking models are learned by minimizing the expected probability of ranking any two randomly drawn test examples incorrectly. The development of computationally efficient kernel methods, based on this approach, has in the past proven to be challenging. Moreover, it is not clear what techniques for estimating the predictive performance of learned models are the most reliable in the ranking setting, and how the techniques can be implemented efficiently. The contributions of this thesis are as follows. First, we develop RankRLS, a computationally efficient kernel method for learning to rank, that is based on minimizing a regularized pairwise least-squares loss. In addition to training methods, we introduce a variety of algorithms for tasks such as model selection, multi-output learning, and cross-validation, based on computational shortcuts from matrix algebra. Second, we improve the fastest known training method for the linear version of the RankSVM algorithm, which is one of the most well established methods for learning to rank. Third, we study the combination of the empirical kernel map and reduced set approximation, which allows the large-scale training of kernel machines using linear solvers, and propose computationally efficient solutions to cross-validation when using the approach. Next, we explore the problem of reliable cross-validation when using AUC as a performance criterion, through an extensive simulation study. We demonstrate that the proposed leave-pair-out cross-validation approach leads to more reliable performance estimation than commonly used alternative approaches. Finally, we present a case study on applying machine learning to information extraction from biomedical literature, which combines several of the approaches considered in the thesis. The thesis is divided into two parts. Part I provides the background for the research work and summarizes the most central results, Part II consists of the five original research articles that are the main contribution of this thesis.

Adaptive Markov chain Monte Carlo and Bayesian filtering for state space models

This thesis is concerned with the state and parameter estimation in state space models. The estimation of states and parameters is an important task when mathematical modeling is applied to many different application areas such as the global positioning systems, target tracking, navigation, brain imaging, spread of infectious diseases, biological processes, telecommunications, audio signal processing, stochastic optimal control, machine learning, and physical systems. In Bayesian settings, the estimation of states or parameters amounts to computation of the posterior probability density function. Except for a very restricted number of models, it is impossible to compute this density function in a closed form. Hence, we need approximation methods. A state estimation problem involves estimating the states (latent variables) that are not directly observed in the output of the system. In this thesis, we use the Kalman filter, extended Kalman filter, Gauss–Hermite filters, and particle filters to estimate the states based on available measurements. Among these filters, particle filters are numerical methods for approximating the filtering distributions of non-linear non-Gaussian state space models via Monte Carlo. The performance of a particle filter heavily depends on the chosen importance distribution. For instance, inappropriate choice of the importance distribution can lead to the failure of convergence of the particle filter algorithm. In this thesis, we analyze the theoretical Lᵖ particle filter convergence with general importance distributions, where p ≥2 is an integer. A parameter estimation problem is considered with inferring the model parameters from measurements. For high-dimensional complex models, estimation of parameters can be done by Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods. In its operation, the MCMC method requires the unnormalized posterior distribution of the parameters and a proposal distribution. In this thesis, we show how the posterior density function of the parameters of a state space model can be computed by filtering based methods, where the states are integrated out. This type of computation is then applied to estimate parameters of stochastic differential equations. Furthermore, we compute the partial derivatives of the log-posterior density function and use the hybrid Monte Carlo and scaled conjugate gradient methods to infer the parameters of stochastic differential equations. The computational efficiency of MCMC methods is highly depend on the chosen proposal distribution. A commonly used proposal distribution is Gaussian. In this kind of proposal, the covariance matrix must be well tuned. To tune it, adaptive MCMC methods can be used. In this thesis, we propose a new way of updating the covariance matrix using the variational Bayesian adaptive Kalman filter algorithm.

Feature Selection and Classification Using Age Layered Population Structure Genetic Programming

The curse of dimensionality is a major problem in the fields of machine learning, data mining and knowledge discovery. Exhaustive search for the most optimal subset of relevant features from a high dimensional dataset is NP hard. Sub–optimal population based stochastic algorithms such as GP and GA are good choices for searching through large search spaces, and are usually more feasible than exhaustive and deterministic search algorithms. On the other hand, population based stochastic algorithms often suffer from premature convergence on mediocre sub–optimal solutions. The Age Layered Population Structure (ALPS) is a novel metaheuristic for overcoming the problem of premature convergence in evolutionary algorithms, and for improving search in the fitness landscape. The ALPS paradigm uses an age–measure to control breeding and competition between individuals in the population. This thesis uses a modification of the ALPS GP strategy called Feature Selection ALPS (FSALPS) for feature subset selection and classification of varied supervised learning tasks. FSALPS uses a novel frequency count system to rank features in the GP population based on evolved feature frequencies. The ranked features are translated into probabilities, which are used to control evolutionary processes such as terminal–symbol selection for the construction of GP trees/sub-trees. The FSALPS metaheuristic continuously refines the feature subset selection process whiles simultaneously evolving efficient classifiers through a non–converging evolutionary process that favors selection of features with high discrimination of class labels. We investigated and compared the performance of canonical GP, ALPS and FSALPS on high–dimensional benchmark classification datasets, including a hyperspectral image. Using Tukey’s HSD ANOVA test at a 95% confidence interval, ALPS and FSALPS dominated canonical GP in evolving smaller but efficient trees with less bloat expressions. FSALPS significantly outperformed canonical GP and ALPS and some reported feature selection strategies in related literature on dimensionality reduction.

Feature Selection and Classification Using Age Layered Population Structure Genetic Programming

The curse of dimensionality is a major problem in the fields of machine learning, data mining and knowledge discovery. Exhaustive search for the most optimal subset of relevant features from a high dimensional dataset is NP hard. Sub–optimal population based stochastic algorithms such as GP and GA are good choices for searching through large search spaces, and are usually more feasible than exhaustive and determinis- tic search algorithms. On the other hand, population based stochastic algorithms often suffer from premature convergence on mediocre sub–optimal solutions. The Age Layered Population Structure (ALPS) is a novel meta–heuristic for overcoming the problem of premature convergence in evolutionary algorithms, and for improving search in the fitness landscape. The ALPS paradigm uses an age–measure to control breeding and competition between individuals in the population. This thesis uses a modification of the ALPS GP strategy called Feature Selection ALPS (FSALPS) for feature subset selection and classification of varied supervised learning tasks. FSALPS uses a novel frequency count system to rank features in the GP population based on evolved feature frequencies. The ranked features are translated into probabilities, which are used to control evolutionary processes such as terminal–symbol selection for the construction of GP trees/sub-trees. The FSALPS meta–heuristic continuously refines the feature subset selection process whiles simultaneously evolving efficient classifiers through a non–converging evolutionary process that favors selection of features with high discrimination of class labels. We investigated and compared the performance of canonical GP, ALPS and FSALPS on high–dimensional benchmark classification datasets, including a hyperspectral image. Using Tukey’s HSD ANOVA test at a 95% confidence interval, ALPS and FSALPS dominated canonical GP in evolving smaller but efficient trees with less bloat expressions. FSALPS significantly outperformed canonical GP and ALPS and some reported feature selection strategies in related literature on dimensionality reduction.

Configuration et exploitation d'une machine émotionnelle

Dans ce travail, nous explorons la faisabilité de doter les machines de la capacité de prédire, dans un contexte d'interaction homme-machine (IHM), l'émotion d'un utilisateur, ainsi que son intensité, de manière instantanée pour une grande variété de situations. Plus spécifiquement, une application a été développée, appelée machine émotionnelle, capable de «comprendre» la signification d'une situation en se basant sur le modèle théorique d'évaluation de l'émotion Ortony, Clore et Collins (OCC). Cette machine est apte, également, à prédire les réactions émotionnelles des utilisateurs, en combinant des versions améliorées des k plus proches voisins et des réseaux de neurones. Une procédure empirique a été réalisée pour l'acquisition des données. Ces dernières ont fourni une connaissance consistante aux algorithmes d'apprentissage choisis et ont permis de tester la performance de la machine. Les résultats obtenus montrent que la machine émotionnelle proposée est capable de produire de bonnes prédictions. Une telle réalisation pourrait encourager son utilisation future dans des domaines exploitant la reconnaissance automatique de l'émotion.

Apprentissage machine efficace : théorie et pratique

Malgré des progrès constants en termes de capacité de calcul, mémoire et quantité de données disponibles, les algorithmes d'apprentissage machine doivent se montrer efficaces dans l'utilisation de ces ressources. La minimisation des coûts est évidemment un facteur important, mais une autre motivation est la recherche de mécanismes d'apprentissage capables de reproduire le comportement d'êtres intelligents. Cette thèse aborde le problème de l'efficacité à travers plusieurs articles traitant d'algorithmes d'apprentissage variés : ce problème est vu non seulement du point de vue de l'efficacité computationnelle (temps de calcul et mémoire utilisés), mais aussi de celui de l'efficacité statistique (nombre d'exemples requis pour accomplir une tâche donnée). Une première contribution apportée par cette thèse est la mise en lumière d'inefficacités statistiques dans des algorithmes existants. Nous montrons ainsi que les arbres de décision généralisent mal pour certains types de tâches (chapitre 3), de même que les algorithmes classiques d'apprentissage semi-supervisé à base de graphe (chapitre 5), chacun étant affecté par une forme particulière de la malédiction de la dimensionalité. Pour une certaine classe de réseaux de neurones, appelés réseaux sommes-produits, nous montrons qu'il peut être exponentiellement moins efficace de représenter certaines fonctions par des réseaux à une seule couche cachée, comparé à des réseaux profonds (chapitre 4). Nos analyses permettent de mieux comprendre certains problèmes intrinsèques liés à ces algorithmes, et d'orienter la recherche dans des directions qui pourraient permettre de les résoudre. Nous identifions également des inefficacités computationnelles dans les algorithmes d'apprentissage semi-supervisé à base de graphe (chapitre 5), et dans l'apprentissage de mélanges de Gaussiennes en présence de valeurs manquantes (chapitre 6). Dans les deux cas, nous proposons de nouveaux algorithmes capables de traiter des ensembles de données significativement plus grands. Les deux derniers chapitres traitent de l'efficacité computationnelle sous un angle différent. Dans le chapitre 7, nous analysons de manière théorique un algorithme existant pour l'apprentissage efficace dans les machines de Boltzmann restreintes (la divergence contrastive), afin de mieux comprendre les raisons qui expliquent le succès de cet algorithme. Finalement, dans le chapitre 8 nous présentons une application de l'apprentissage machine dans le domaine des jeux vidéo, pour laquelle le problème de l'efficacité computationnelle est relié à des considérations d'ingénierie logicielle et matérielle, souvent ignorées en recherche mais ô combien importantes en pratique.

Modélisation des émotions de l’apprenant et interventions implicites pour les systèmes tutoriels intelligents

La modélisation de l’expérience de l’utilisateur dans les Interactions Homme-Machine est un enjeu important pour la conception et le développement des systèmes adaptatifs intelligents. Dans ce contexte, une attention particulière est portée sur les réactions émotionnelles de l’utilisateur, car elles ont une influence capitale sur ses aptitudes cognitives, comme la perception et la prise de décision. La modélisation des émotions est particulièrement pertinente pour les Systèmes Tutoriels Émotionnellement Intelligents (STEI). Ces systèmes cherchent à identifier les émotions de l’apprenant lors des sessions d’apprentissage, et à optimiser son expérience d’interaction en recourant à diverses stratégies d’interventions. Cette thèse vise à améliorer les méthodes de modélisation des émotions et les stratégies émotionnelles utilisées actuellement par les STEI pour agir sur les émotions de l’apprenant. Plus précisément, notre premier objectif a été de proposer une nouvelle méthode pour détecter l’état émotionnel de l’apprenant, en utilisant différentes sources d’informations qui permettent de mesurer les émotions de façon précise, tout en tenant compte des variables individuelles qui peuvent avoir un impact sur la manifestation des émotions. Pour ce faire, nous avons développé une approche multimodale combinant plusieurs mesures physiologiques (activité cérébrale, réactions galvaniques et rythme cardiaque) avec des variables individuelles, pour détecter une émotion très fréquemment observée lors des sessions d’apprentissage, à savoir l’incertitude. Dans un premier lieu, nous avons identifié les indicateurs physiologiques clés qui sont associés à cet état, ainsi que les caractéristiques individuelles qui contribuent à sa manifestation. Puis, nous avons développé des modèles prédictifs permettant de détecter automatiquement cet état à partir des différentes variables analysées, à travers l’entrainement d’algorithmes d’apprentissage machine. Notre deuxième objectif a été de proposer une approche unifiée pour reconnaître simultanément une combinaison de plusieurs émotions, et évaluer explicitement l’impact de ces émotions sur l’expérience d’interaction de l’apprenant. Pour cela, nous avons développé une plateforme hiérarchique, probabiliste et dynamique permettant de suivre les changements émotionnels de l'apprenant au fil du temps, et d’inférer automatiquement la tendance générale qui caractérise son expérience d’interaction à savoir : l’immersion, le blocage ou le décrochage. L’immersion correspond à une expérience optimale : un état dans lequel l'apprenant est complètement concentré et impliqué dans l’activité d’apprentissage. L’état de blocage correspond à une tendance d’interaction non optimale où l'apprenant a de la difficulté à se concentrer. Finalement, le décrochage correspond à un état extrêmement défavorable où l’apprenant n’est plus du tout impliqué dans l’activité d’apprentissage. La plateforme proposée intègre trois modalités de variables diagnostiques permettant d’évaluer l’expérience de l’apprenant à savoir : des variables physiologiques, des variables comportementales, et des mesures de performance, en combinaison avec des variables prédictives qui représentent le contexte courant de l’interaction et les caractéristiques personnelles de l'apprenant. Une étude a été réalisée pour valider notre approche à travers un protocole expérimental permettant de provoquer délibérément les trois tendances ciblées durant l’interaction des apprenants avec différents environnements d’apprentissage. Enfin, notre troisième objectif a été de proposer de nouvelles stratégies pour influencer positivement l’état émotionnel de l’apprenant, sans interrompre la dynamique de la session d’apprentissage. Nous avons à cette fin introduit le concept de stratégies émotionnelles implicites : une nouvelle approche pour agir subtilement sur les émotions de l’apprenant, dans le but d’améliorer son expérience d’apprentissage. Ces stratégies utilisent la perception subliminale, et plus précisément une technique connue sous le nom d’amorçage affectif. Cette technique permet de solliciter inconsciemment les émotions de l’apprenant, à travers la projection d’amorces comportant certaines connotations affectives. Nous avons mis en œuvre une stratégie émotionnelle implicite utilisant une forme particulière d’amorçage affectif à savoir : le conditionnement évaluatif, qui est destiné à améliorer de façon inconsciente l’estime de soi. Une étude expérimentale a été réalisée afin d’évaluer l’impact de cette stratégie sur les réactions émotionnelles et les performances des apprenants.

Évaluation et amélioration du rendement de la formation en entreprise : vers une démarche basée sur la gestion des processus d’affaires.

La formation est une stratégie clé pour le développement des compétences. Les entreprises continuent à investir dans la formation et le développement, mais elles possèdent rarement des données pour évaluer les résultats de cet investissement. La plupart des entreprises utilisent le modèle Kirkpatrick/Phillips pour évaluer la formation en entreprise. Cependant, il ressort de la littérature que les entreprises ont des difficultés à utiliser ce modèle. Les principales barrières sont la difficulté d’isoler l’apprentissage comme un facteur qui a une incidence sur les résultats, l’absence d’un système d’évaluation utile avec le système de gestion de l’apprentissage (Learning Management System - LMS) et le manque de données standardisées pour pouvoir comparer différentes fonctions d’apprentissage. Dans cette thèse, nous proposons un modèle (Analyse, Modélisation, Monitoring et Optimisation - AM2O) de gestion de projets de formation en entreprise, basée sur la gestion des processus d’affaires (Business Process Management - BPM). Un tel scénario suppose que les activités de formation en entreprise doivent être considérées comme des processus d’affaires. Notre modèle est inspiré de cette méthode (BPM), à travers la définition et le suivi des indicateurs de performance pour gérer les projets de formation dans les organisations. Elle est basée sur l’analyse et la modélisation des besoins de formation pour assurer l’alignement entre les activités de formation et les objectifs d’affaires de l’entreprise. Elle permet le suivi des projets de formation ainsi que le calcul des avantages tangibles et intangibles de la formation (sans coût supplémentaire). En outre, elle permet la production d’une classification des projets de formation en fonction de critères relatifs à l’entreprise. Ainsi, avec assez de données, notre approche peut être utilisée pour optimiser le rendement de la formation par une série de simulations utilisant des algorithmes d’apprentissage machine : régression logistique, réseau de neurones, co-apprentissage. Enfin, nous avons conçu un système informatique, Enterprise TRaining programs Evaluation and Optimization System - ETREOSys, pour la gestion des programmes de formation en entreprise et l’aide à la décision. ETREOSys est une plateforme Web utilisant des services en nuage (cloud services) et les bases de données NoSQL. A travers AM2O et ETREOSys nous résolvons les principaux problèmes liés à la gestion et l’évaluation de la formation en entreprise à savoir : la difficulté d’isoler les effets de la formation dans les résultats de l’entreprise et le manque de systèmes informatiques.

FPGA-based object detection using classification circuits

Dans l'apprentissage machine, la classification est le processus d’assigner une nouvelle observation à une certaine catégorie. Les classifieurs qui mettent en œuvre des algorithmes de classification ont été largement étudié au cours des dernières décennies. Les classifieurs traditionnels sont basés sur des algorithmes tels que le SVM et les réseaux de neurones, et sont généralement exécutés par des logiciels sur CPUs qui fait que le système souffre d’un manque de performance et d’une forte consommation d'énergie. Bien que les GPUs puissent être utilisés pour accélérer le calcul de certains classifieurs, leur grande consommation de puissance empêche la technologie d'être mise en œuvre sur des appareils portables tels que les systèmes embarqués. Pour rendre le système de classification plus léger, les classifieurs devraient être capable de fonctionner sur un système matériel plus compact au lieu d'un groupe de CPUs ou GPUs, et les classifieurs eux-mêmes devraient être optimisés pour ce matériel. Dans ce mémoire, nous explorons la mise en œuvre d'un classifieur novateur sur une plate-forme matérielle à base de FPGA. Le classifieur, conçu par Alain Tapp (Université de Montréal), est basé sur une grande quantité de tables de recherche qui forment des circuits arborescents qui effectuent les tâches de classification. Le FPGA semble être un élément fait sur mesure pour mettre en œuvre ce classifieur avec ses riches ressources de tables de recherche et l'architecture à parallélisme élevé. Notre travail montre que les FPGAs peuvent implémenter plusieurs classifieurs et faire les classification sur des images haute définition à une vitesse très élevée.

Automatic Image Annotation Using SURF Descriptors

In recent years there is an apparent shift in research from content based image retrieval (CBIR) to automatic image annotation in order to bridge the gap between low level features and high level semantics of images. Automatic Image Annotation (AIA) techniques facilitate extraction of high level semantic concepts from images by machine learning techniques. Many AIA techniques use feature analysis as the first step to identify the objects in the image. However, the high dimensional image features make the performance of the system worse. This paper describes and evaluates an automatic image annotation framework which uses SURF descriptors to select right number of features and right features for annotation. The proposed framework uses a hybrid approach in which k-means clustering is used in the training phase and fuzzy K-NN classification in the annotation phase. The performance of the system is evaluated using standard metrics.

Prediction of global and local model quality in CASP8 using the ModFOLD server

The development of effective methods for predicting the quality of three-dimensional (3D) models is fundamentally important for the success of tertiary structure (TS) prediction strategies. Since CASP7, the Quality Assessment (QA) category has existed to gauge the ability of various model quality assessment programs (MQAPs) at predicting the relative quality of individual 3D models. For the CASP8 experiment, automated predictions were submitted in the QA category using two methods from the ModFOLD server-ModFOLD version 1.1 and ModFOLDclust. ModFOLD version 1.1 is a single-model machine learning based method, which was used for automated predictions of global model quality (QMODE1). ModFOLDclust is a simple clustering based method, which was used for automated predictions of both global and local quality (QMODE2). In addition, manual predictions of model quality were made using ModFOLD version 2.0-an experimental method that combines the scores from ModFOLDclust and ModFOLD v1.1. Predictions from the ModFOLDclust method were the most successful of the three in terms of the global model quality, whilst the ModFOLD v1.1 method was comparable in performance to other single-model based methods. In addition, the ModFOLDclust method performed well at predicting the per-residue, or local, model quality scores. Predictions of the per-residue errors in our own 3D models, selected using the ModFOLD v2.0 method, were also the most accurate compared with those from other methods. All of the MQAPs described are publicly accessible via the ModFOLD server at: http://www.reading.ac.uk/bioinf/ModFOLD/. The methods are also freely available to download from: http://www.reading.ac.uk/bioinf/downloads/.