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.

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.

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.

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++.

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.

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.

Dataset Fusion application on deep learning Object Detection task

Application of dataset fusion techniques to an object detection task, involving the use of deep learning as convolutional neural networks, to manage to create a single RCNN architecture able to inference with good performances on two distinct datasets with different domains.

Computer vision in aseptic pharmaceutical manufacturing: a deep learning-based approach to vial inspection and pack formation during a lyophilizer loading cycle

Vision systems are powerful tools playing an increasingly important role in modern industry, to detect errors and maintain product standards. With the enlarged availability of affordable industrial cameras, computer vision algorithms have been increasingly applied in industrial manufacturing processes monitoring. Until a few years ago, industrial computer vision applications relied only on ad-hoc algorithms designed for the specific object and acquisition setup being monitored, with a strong focus on co-designing the acquisition and processing pipeline. Deep learning has overcome these limits providing greater flexibility and faster re-configuration. In this work, the process to be inspected consists in vials’ pack formation entering a freeze-dryer, which is a common scenario in pharmaceutical active ingredient packaging lines. To ensure that the machine produces proper packs, a vision system is installed at the entrance of the freeze-dryer to detect eventual anomalies with execution times compatible with the production specifications. Other constraints come from sterility and safety standards required in pharmaceutical manufacturing. This work presents an overview about the production line, with particular focus on the vision system designed, and about all trials conducted to obtain the final performance. Transfer learning, alleviating the requirement for a large number of training data, combined with data augmentation methods, consisting in the generation of synthetic images, were used to effectively increase the performances while reducing the cost of data acquisition and annotation. The proposed vision algorithm is composed by two main subtasks, designed respectively to vials counting and discrepancy detection. The first one was trained on more than 23k vials (about 300 images) and tested on 5k more (about 75 images), whereas 60 training images and 52 testing images were used for the second one.

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.

Depth Estimation in Stereo Biomedical Images via Proxy-Supervised Deep Learning

In order to estimate depth through supervised deep learning-based stereo methods, it is necessary to have access to precise ground truth depth data. While the gathering of precise labels is commonly tackled by deploying depth sensors, this is not always a viable solution. For instance, in many applications in the biomedical domain, the choice of sensors capable of sensing depth at small distances with high precision on difficult surfaces (that present non-Lambertian properties) is very limited. It is therefore necessary to find alternative techniques to gather ground truth data without having to rely on external sensors. In this thesis, two different approaches have been tested to produce supervision data for biomedical images. The first aims to obtain input stereo image pairs and disparities through simulation in a virtual environment, while the second relies on a non-learned disparity estimation algorithm in order to produce noisy disparities, which are then filtered by means of hand-crafted confidence measures to create noisy labels for a subset of pixels. Among the two, the second approach, which is referred in literature as proxy-labeling, has shown the best results and has even outperformed the non-learned disparity estimation algorithm used for supervision.

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%.

Deep learning based style transfer for low altitude aerial imagery

Unmanned Aerial Vehicle (UAVs) equipped with cameras have been fast deployed to a wide range of applications, such as smart cities, agriculture or search and rescue applications. Even though UAV datasets exist, the amount of open and quality UAV datasets is limited. So far, we want to overcome this lack of high quality annotation data by developing a simulation framework for a parametric generation of synthetic data. The framework accepts input via a serializable format. The input specifies which environment preset is used, the objects to be placed in the environment along with their position and orientation as well as additional information such as object color and size. The result is an environment that is able to produce UAV typical data: RGB image from the UAVs camera, altitude, roll, pitch and yawn of the UAV. Beyond the image generation process, we improve the resulting image data photorealism by using Synthetic-To-Real transfer learning methods. Transfer learning focuses on storing knowledge gained while solving one problem and applying it to a different - although related - problem. This approach has been widely researched in other affine fields and results demonstrate it to be an interesing area to investigate. Since simulated images are easy to create and synthetic-to-real translation has shown good quality results, we are able to generate pseudo-realistic images. Furthermore, object labels are inherently given, so we are capable of extending the already existing UAV datasets with realistic quality images and high resolution meta-data. During the development of this thesis we have been able to produce a result of 68.4% on UAVid. This can be considered a new state-of-art result on this dataset.

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.