Deep generative models for facial keypoints detection

A new area of machine learning research called deep learning, has moved machine learning closer to one of its original goals: artificial intelligence and general learning algorithm. The key idea is to pretrain models in completely unsupervised way and finally they can be fine-tuned for the task at hand using supervised learning. In this thesis, a general introduction to deep learning models and algorithms are given and these methods are applied to facial keypoints detection. The task is to predict the positions of 15 keypoints on grayscale face images. Each predicted keypoint is specified by an (x,y) real-valued pair in the space of pixel indices. In experiments, we pretrained deep belief networks (DBN) and finally performed a discriminative fine-tuning. We varied the depth and size of an architecture. We tested both deterministic and sampled hidden activations and the effect of additional unlabeled data on pretraining. The experimental results show that our model provides better results than publicly available benchmarks for the dataset.

A Bayesian Approach for Forecasting Heat Load in a District Heating System

The growing population in cities increases the energy demand and affects the environment by increasing carbon emissions. Information and communications technology solutions which enable energy optimization are needed to address this growing energy demand in cities and to reduce carbon emissions. District heating systems optimize the energy production by reusing waste energy with combined heat and power plants. Forecasting the heat load demand in residential buildings assists in optimizing energy production and consumption in a district heating system. However, the presence of a large number of factors such as weather forecast, district heating operational parameters and user behavioural parameters, make heat load forecasting a challenging task. This thesis proposes a probabilistic machine learning model using a Naive Bayes classifier, to forecast the hourly heat load demand for three residential buildings in the city of Skellefteå, Sweden over a period of winter and spring seasons. The district heating data collected from the sensors equipped at the residential buildings in Skellefteå, is utilized to build the Bayesian network to forecast the heat load demand for horizons of 1, 2, 3, 6 and 24 hours. The proposed model is validated by using four cases to study the influence of various parameters on the heat load forecast by carrying out trace driven analysis in Weka and GeNIe. Results show that current heat load consumption and outdoor temperature forecast are the two parameters with most influence on the heat load forecast. The proposed model achieves average accuracies of 81.23 % and 76.74 % for a forecast horizon of 1 hour in the three buildings for winter and spring seasons respectively. The model also achieves an average accuracy of 77.97 % for three buildings across both seasons for the forecast horizon of 1 hour by utilizing only 10 % of the training data. The results indicate that even a simple model like Naive Bayes classifier can forecast the heat load demand by utilizing less training data.

Scalable Feature Selection Applications for Genome-Wide Association Studies of Complex Diseases

Personalized medicine will revolutionize our capabilities to combat disease. Working toward this goal, a fundamental task is the deciphering of geneticvariants that are predictive of complex diseases. Modern studies, in the formof genome-wide association studies (GWAS) have afforded researchers with the opportunity to reveal new genotype-phenotype relationships through the extensive scanning of genetic variants. These studies typically contain over half a million genetic features for thousands of individuals. Examining this with methods other than univariate statistics is a challenging task requiring advanced algorithms that are scalable to the genome-wide level. In the future, next-generation sequencing studies (NGS) will contain an even larger number of common and rare variants. Machine learning-based feature selection algorithms have been shown to have the ability to effectively create predictive models for various genotype-phenotype relationships. This work explores the problem of selecting genetic variant subsets that are the most predictive of complex disease phenotypes through various feature selection methodologies, including filter, wrapper and embedded algorithms. The examined machine learning algorithms were demonstrated to not only be effective at predicting the disease phenotypes, but also doing so efficiently through the use of computational shortcuts. While much of the work was able to be run on high-end desktops, some work was further extended so that it could be implemented on parallel computers helping to assure that they will also scale to the NGS data sets. Further, these studies analyzed the relationships between various feature selection methods and demonstrated the need for careful testing when selecting an algorithm. It was shown that there is no universally optimal algorithm for variant selection in GWAS, but rather methodologies need to be selected based on the desired outcome, such as the number of features to be included in the prediction model. It was also demonstrated that without proper model validation, for example using nested cross-validation, the models can result in overly-optimistic prediction accuracies and decreased generalization ability. It is through the implementation and application of machine learning methods that one can extract predictive genotype–phenotype relationships and biological insights from genetic data sets.

Spectral Analysis of Symmetric and Anti-Symmetric Pairwise Kernels

This work investigates theoretical properties of symmetric and anti-symmetric kernels. First chapters give an overview of the theory of kernels used in supervised machine learning. Central focus is on the regularized least squares algorithm, which is motivated as a problem of function reconstruction through an abstract inverse problem. Brief review of reproducing kernel Hilbert spaces shows how kernels define an implicit hypothesis space with multiple equivalent characterizations and how this space may be modified by incorporating prior knowledge. Mathematical results of the abstract inverse problem, in particular spectral properties, pseudoinverse and regularization are recollected and then specialized to kernels. Symmetric and anti-symmetric kernels are applied in relation learning problems which incorporate prior knowledge that the relation is symmetric or anti-symmetric, respectively. Theoretical properties of these kernels are proved in a draft this thesis is based on and comprehensively referenced here. These proofs show that these kernels can be guaranteed to learn only symmetric or anti-symmetric relations, and they can learn any relations relative to the original kernel modified to learn only symmetric or anti-symmetric parts. Further results prove spectral properties of these kernels, central result being a simple inequality for the the trace of the estimator, also called the effective dimension. This quantity is used in learning bounds to guarantee smaller variance.

Tekoälyn hyödyntäminen liiketoiminnassa: IBM Watson

Tämän kandidaatintyön tavoitteena on käsitellä tekoälyjärjestelmien käyttöä liiketoiminnassa. Tekoälyä on tutkittu pitkään, mutta sen soveltaminen liiketoimintaan on suhteellisen uutta. Työssä esitellään IBM Watson Analytics- tekoälyjärjestelmän käyttöä. Tämän esittelyn kautta on tarkoitus näyttää, kuinka helposti tekoälyjärjestelmät todellisuudessa ovat hyödynnettävissä. Kirjallisuudesta löytyvien esimerkkien kautta työssä esitellään, minkälaisia järjestelmiä tällä hetkellä käytetään, ja millaisiin tarkoituksiin ne on luotu. Tekoälyjärjestelmien monimuotoisuuden vuoksi niitä käytetäänkin laajalti erilaisiin sovelluksiin. Kirjallisuudesta huomataan, että tekoälyjärjestelmät koostuvat usein monesta eri tavasta toteuttaa tekoälyä. Kirjallisuuden ja tekoälyn toteutuksen teorian pohjalta huomataan myös, että tekoälyjärjestelmät toimivat useimmiten erilaisissa päätöksentekoa tukevissa tai helpottavissa tehtävissä. Työssä esitetään myös IBM Watson Analyticsin ja avoimen datan avulla, kuinka helposti tekoälyjärjestelmiä pystytään hyödyntämään. Työssä näytetään tämän esimerkin kautta, miten ja minkä tyyppistä liiketoimintaa tukevaa informaatiota tekoälyjärjestelmä pystyy helposti tuottamaan.

Comparison of classification ability of hyperball algorithms to neural network and k-nearest neighbour algorithms

The main focus of this thesis is to evaluate and compare Hyperbalilearning algorithm (HBL) to other learning algorithms. In this work HBL is compared to feed forward artificial neural networks using back propagation learning, K-nearest neighbor and 103 algorithms. In order to evaluate the similarity of these algorithms, we carried out three experiments using nine benchmark data sets from UCI machine learning repository. The first experiment compares HBL to other algorithms when sample size of dataset is changing. The second experiment compares HBL to other algorithms when dimensionality of data changes. The last experiment compares HBL to other algorithms according to the level of agreement to data target values. Our observations in general showed, considering classification accuracy as a measure, HBL is performing as good as most ANn variants. Additionally, we also deduced that HBL.:s classification accuracy outperforms 103's and K-nearest neighbour's for the selected data sets.

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.

GA approach for finding Rough Set decision rules based on bireducts

Feature selection plays an important role in knowledge discovery and data mining nowadays. In traditional rough set theory, feature selection using reduct - the minimal discerning set of attributes - is an important area. Nevertheless, the original definition of a reduct is restrictive, so in one of the previous research it was proposed to take into account not only the horizontal reduction of information by feature selection, but also a vertical reduction considering suitable subsets of the original set of objects. Following the work mentioned above, a new approach to generate bireducts using a multi--objective genetic algorithm was proposed. Although the genetic algorithms were used to calculate reduct in some previous works, we did not find any work where genetic algorithms were adopted to calculate bireducts. Compared to the works done before in this area, the proposed method has less randomness in generating bireducts. The genetic algorithm system estimated a quality of each bireduct by values of two objective functions as evolution progresses, so consequently a set of bireducts with optimized values of these objectives was obtained. Different fitness evaluation methods and genetic operators, such as crossover and mutation, were applied and the prediction accuracies were compared. Five datasets were used to test the proposed method and two datasets were used to perform a comparison study. Statistical analysis using the one-way ANOVA test was performed to determine the significant difference between the results. The experiment showed that the proposed method was able to reduce the number of bireducts necessary in order to receive a good prediction accuracy. Also, the influence of different genetic operators and fitness evaluation strategies on the prediction accuracy was analyzed. It was shown that the prediction accuracies of the proposed method are comparable with the best results in machine learning literature, and some of them outperformed it.

In silico analysis of mitochondrial proteins

Le rôle important joué par la mitochondrie dans la cellule eucaryote est admis depuis longtemps. Cependant, la composition exacte des mitochondries, ainsi que les processus biologiques qui sy déroulent restent encore largement inconnus. Deux facteurs principaux permettent dexpliquer pourquoi létude des mitochondries progresse si lentement : le manque defficacité des méthodes didentification des protéines mitochondriales et le manque de précision dans lannotation de ces protéines. En conséquence, nous avons développé un nouvel outil informatique, YimLoc, qui permet de prédire avec succès les protéines mitochondriales à partir des séquences génomiques. Cet outil intègre plusieurs indicateurs existants, et sa performance est supérieure à celle des indicateurs considérés individuellement. Nous avons analysé environ 60 génomes fongiques avec YimLoc afin de lever la controverse concernant la localisation de la bêta-oxydation dans ces organismes. Contrairement à ce qui était généralement admis, nos résultats montrent que la plupart des groupes de Fungi possèdent une bêta-oxydation mitochondriale. Ce travail met également en évidence la diversité des processus de bêta-oxydation chez les champignons, en corrélation avec leur utilisation des acides gras comme source dénergie et de carbone. De plus, nous avons étudié le composant clef de la voie de bêta-oxydation mitochondriale, lacyl-CoA déshydrogénase (ACAD), dans 250 espèces, couvrant les 3 domaines de la vie, en combinant la prédiction de la localisation subcellulaire avec la classification en sous-familles et linférence phylogénétique. Notre étude suggère que les gènes ACAD font partie dune ancienne famille qui a adopté des stratégies évolutionnaires innovatrices afin de générer un large ensemble denzymes susceptibles dutiliser la plupart des acides gras et des acides aminés. Finalement, afin de permettre la prédiction de protéines mitochondriales à partir de données autres que les séquences génomiques, nous avons développé le logiciel TESTLoc qui utilise comme données des Expressed Sequence Tags (ESTs). La performance de TESTLoc est significativement supérieure à celle de tout autre outil de prédiction connu. En plus de fournir deux nouveaux outils de prédiction de la localisation subcellulaire utilisant différents types de données, nos travaux démontrent comment lassociation de la prédiction de la localisation subcellulaire à dautres méthodes danalyse in silico permet daméliorer la connaissance des protéines mitochondriales. De plus, ces travaux proposent des hypothèses claires et faciles à vérifier par des expériences, ce qui présente un grand potentiel pour faire progresser nos connaissances des métabolismes mitochondriaux.

Échantillonnage dynamique de champs markoviens

L'un des modèles d'apprentissage non-supervisé générant le plus de recherche active est la machine de Boltzmann --- en particulier la machine de Boltzmann restreinte, ou RBM. Un aspect important de l'entraînement ainsi que l'exploitation d'un tel modèle est la prise d'échantillons. Deux développements récents, la divergence contrastive persistante rapide (FPCD) et le herding, visent à améliorer cet aspect, se concentrant principalement sur le processus d'apprentissage en tant que tel. Notamment, le herding renonce à obtenir un estimé précis des paramètres de la RBM, définissant plutôt une distribution par un système dynamique guidé par les exemples d'entraînement. Nous généralisons ces idées afin d'obtenir des algorithmes permettant d'exploiter la distribution de probabilités définie par une RBM pré-entraînée, par tirage d'échantillons qui en sont représentatifs, et ce sans que l'ensemble d'entraînement ne soit nécessaire. Nous présentons trois méthodes: la pénalisation d'échantillon (basée sur une intuition théorique) ainsi que la FPCD et le herding utilisant des statistiques constantes pour la phase positive. Ces méthodes définissent des systèmes dynamiques produisant des échantillons ayant les statistiques voulues et nous les évaluons à l'aide d'une méthode d'estimation de densité non-paramétrique. Nous montrons que ces méthodes mixent substantiellement mieux que la méthode conventionnelle, l'échantillonnage de Gibbs.

Non-negative matrix decomposition approaches to frequency domain analysis of music audio signals

On étudie l’application des algorithmes de décomposition matricielles tel que la Factorisation Matricielle Non-négative (FMN), aux représentations fréquentielles de signaux audio musicaux. Ces algorithmes, dirigés par une fonction d’erreur de reconstruction, apprennent un ensemble de fonctions de base et un ensemble de coef- ficients correspondants qui approximent le signal d’entrée. On compare l’utilisation de trois fonctions d’erreur de reconstruction quand la FMN est appliquée à des gammes monophoniques et harmonisées: moindre carré, divergence Kullback-Leibler, et une mesure de divergence dépendente de la phase, introduite récemment. Des nouvelles méthodes pour interpréter les décompositions résultantes sont présentées et sont comparées aux méthodes utilisées précédemment qui nécessitent des connaissances du domaine acoustique. Finalement, on analyse la capacité de généralisation des fonctions de bases apprises par rapport à trois paramètres musicaux: l’amplitude, la durée et le type d’instrument. Pour ce faire, on introduit deux algorithmes d’étiquetage des fonctions de bases qui performent mieux que l’approche précédente dans la majorité de nos tests, la tâche d’instrument avec audio monophonique étant la seule exception importante.

Apprentissage de représentations sur-complètes par entraînement d’auto-encodeurs

Les avancés dans le domaine de l’intelligence artificielle, permettent à des systèmes informatiques de résoudre des tâches de plus en plus complexes liées par exemple à la vision, à la compréhension de signaux sonores ou au traitement de la langue. Parmi les modèles existants, on retrouve les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA), dont la popularité a fait un grand bond en avant avec la découverte de Hinton et al. [22], soit l’utilisation de Machines de Boltzmann Restreintes (RBM) pour un pré-entraînement non-supervisé couche après couche, facilitant grandement l’entraînement supervisé du réseau à plusieurs couches cachées (DBN), entraînement qui s’avérait jusqu’alors très difficile à réussir. Depuis cette découverte, des chercheurs ont étudié l’efficacité de nouvelles stratégies de pré-entraînement, telles que l’empilement d’auto-encodeurs traditionnels(SAE) [5, 38], et l’empilement d’auto-encodeur débruiteur (SDAE) [44]. C’est dans ce contexte qu’a débuté la présente étude. Après un bref passage en revue des notions de base du domaine de l’apprentissage machine et des méthodes de pré-entraînement employées jusqu’à présent avec les modules RBM, AE et DAE, nous avons approfondi notre compréhension du pré-entraînement de type SDAE, exploré ses différentes propriétés et étudié des variantes de SDAE comme stratégie d’initialisation d’architecture profonde. Nous avons ainsi pu, entre autres choses, mettre en lumière l’influence du niveau de bruit, du nombre de couches et du nombre d’unités cachées sur l’erreur de généralisation du SDAE. Nous avons constaté une amélioration de la performance sur la tâche supervisée avec l’utilisation des bruits poivre et sel (PS) et gaussien (GS), bruits s’avérant mieux justifiés que celui utilisé jusqu’à présent, soit le masque à zéro (MN). De plus, nous avons démontré que la performance profitait d’une emphase imposée sur la reconstruction des données corrompues durant l’entraînement des différents DAE. Nos travaux ont aussi permis de révéler que le DAE était en mesure d’apprendre, sur des images naturelles, des filtres semblables à ceux retrouvés dans les cellules V1 du cortex visuel, soit des filtres détecteurs de bordures. Nous aurons par ailleurs pu montrer que les représentations apprises du SDAE, composées des caractéristiques ainsi extraites, s’avéraient fort utiles à l’apprentissage d’une machine à vecteurs de support (SVM) linéaire ou à noyau gaussien, améliorant grandement sa performance de généralisation. Aussi, nous aurons observé que similairement au DBN, et contrairement au SAE, le SDAE possédait une bonne capacité en tant que modèle générateur. Nous avons également ouvert la porte à de nouvelles stratégies de pré-entraînement et découvert le potentiel de l’une d’entre elles, soit l’empilement d’auto-encodeurs rebruiteurs (SRAE).

Modèle informatique du coapprentissage des ganglions de la base et du cortex : l'apprentissage par renforcement et le développement de représentations

Tout au long de la vie, le cerveau développe des représentations de son environnement permettant à l’individu d’en tirer meilleur profit. Comment ces représentations se développent-elles pendant la quête de récompenses demeure un mystère. Il est raisonnable de penser que le cortex est le siège de ces représentations et que les ganglions de la base jouent un rôle important dans la maximisation des récompenses. En particulier, les neurones dopaminergiques semblent coder un signal d’erreur de prédiction de récompense. Cette thèse étudie le problème en construisant, à l’aide de l’apprentissage machine, un modèle informatique intégrant de nombreuses évidences neurologiques. Après une introduction au cadre mathématique et à quelques algorithmes de l’apprentissage machine, un survol de l’apprentissage en psychologie et en neuroscience et une revue des modèles de l’apprentissage dans les ganglions de la base, la thèse comporte trois articles. Le premier montre qu’il est possible d’apprendre à maximiser ses récompenses tout en développant de meilleures représentations des entrées. Le second article porte sur l'important problème toujours non résolu de la représentation du temps. Il démontre qu’une représentation du temps peut être acquise automatiquement dans un réseau de neurones artificiels faisant office de mémoire de travail. La représentation développée par le modèle ressemble beaucoup à l’activité de neurones corticaux dans des tâches similaires. De plus, le modèle montre que l’utilisation du signal d’erreur de récompense peut accélérer la construction de ces représentations temporelles. Finalement, il montre qu’une telle représentation acquise automatiquement dans le cortex peut fournir l’information nécessaire aux ganglions de la base pour expliquer le signal dopaminergique. Enfin, le troisième article évalue le pouvoir explicatif et prédictif du modèle sur différentes situations comme la présence ou l’absence d’un stimulus (conditionnement classique ou de trace) pendant l’attente de la récompense. En plus de faire des prédictions très intéressantes en lien avec la littérature sur les intervalles de temps, l’article révèle certaines lacunes du modèle qui devront être améliorées. Bref, cette thèse étend les modèles actuels de l’apprentissage des ganglions de la base et du système dopaminergique au développement concurrent de représentations temporelles dans le cortex et aux interactions de ces deux structures.

Analyse par apprentissage automatique des réponses fMRI du cortex auditif à des modulations spectro-temporelles

L'application de classifieurs linéaires à l'analyse des données d'imagerie cérébrale (fMRI) a mené à plusieurs percées intéressantes au cours des dernières années. Ces classifieurs combinent linéairement les réponses des voxels pour détecter et catégoriser différents états du cerveau. Ils sont plus agnostics que les méthodes d'analyses conventionnelles qui traitent systématiquement les patterns faibles et distribués comme du bruit. Dans le présent projet, nous utilisons ces classifieurs pour valider une hypothèse portant sur l'encodage des sons dans le cerveau humain. Plus précisément, nous cherchons à localiser des neurones, dans le cortex auditif primaire, qui détecteraient les modulations spectrales et temporelles présentes dans les sons. Nous utilisons les enregistrements fMRI de sujets soumis à 49 modulations spectro-temporelles différentes. L'analyse fMRI au moyen de classifieurs linéaires n'est pas standard, jusqu'à maintenant, dans ce domaine. De plus, à long terme, nous avons aussi pour objectif le développement de nouveaux algorithmes d'apprentissage automatique spécialisés pour les données fMRI. Pour ces raisons, une bonne partie des expériences vise surtout à étudier le comportement des classifieurs. Nous nous intéressons principalement à 3 classifieurs linéaires standards, soient l'algorithme machine à vecteurs de support (linéaire), l'algorithme régression logistique (régularisée) et le modèle bayésien gaussien naïf (variances partagées).