Efficient feature selection filters for high-dimensional data

Feature selection is a central problem in machine learning and pattern recognition. On large datasets (in terms of dimension and/or number of instances), using search-based or wrapper techniques can be cornputationally prohibitive. Moreover, many filter methods based on relevance/redundancy assessment also take a prohibitively long time on high-dimensional. datasets. In this paper, we propose efficient unsupervised and supervised feature selection/ranking filters for high-dimensional datasets. These methods use low-complexity relevance and redundancy criteria, applicable to supervised, semi-supervised, and unsupervised learning, being able to act as pre-processors for computationally intensive methods to focus their attention on smaller subsets of promising features. The experimental results, with up to 10(5) features, show the time efficiency of our methods, with lower generalization error than state-of-the-art techniques, while being dramatically simpler and faster.

Feature Discretization with Relevance and Mutual Information Criteria

Feature discretization (FD) techniques often yield adequate and compact representations of the data, suitable for machine learning and pattern recognition problems. These representations usually decrease the training time, yielding higher classification accuracy while allowing for humans to better understand and visualize the data, as compared to the use of the original features. This paper proposes two new FD techniques. The first one is based on the well-known Linde-Buzo-Gray quantization algorithm, coupled with a relevance criterion, being able perform unsupervised, supervised, or semi-supervised discretization. The second technique works in supervised mode, being based on the maximization of the mutual information between each discrete feature and the class label. Our experimental results on standard benchmark datasets show that these techniques scale up to high-dimensional data, attaining in many cases better accuracy than existing unsupervised and supervised FD approaches, while using fewer discretization intervals.

Automated image tagging through tag propagation

Trabalho apresentado no âmbito do Mestrado em Engenharia Informática, como requisito parcial Para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática

Object and Scene Classification: what does a Supervised Approach Provide us?

Given a set of images of scenes containing different object categories (e.g. grass, roads) our objective is to discover these objects in each image, and to use this object occurrences to perform a scene classification (e.g. beach scene, mountain scene). We achieve this by using a supervised learning algorithm able to learn with few images to facilitate the user task. We use a probabilistic model to recognise the objects and further we classify the scene based on their object occurrences. Experimental results are shown and evaluated to prove the validity of our proposal. Object recognition performance is compared to the approaches of He et al. (2004) and Marti et al. (2001) using their own datasets. Furthermore an unsupervised method is implemented in order to evaluate the advantages and disadvantages of our supervised classification approach versus an unsupervised one

GeoKernels: Modeling of Spatial Data on GeoManifolds

This paper presents a review of methodology for semi-supervised modeling with kernel methods, when the manifold assumption is guaranteed to be satisfied. It concerns environmental data modeling on natural manifolds, such as complex topographies of the mountainous regions, where environmental processes are highly influenced by the relief. These relations, possibly regionalized and nonlinear, can be modeled from data with machine learning using the digital elevation models in semi-supervised kernel methods. The range of the tools and methodological issues discussed in the study includes feature selection and semisupervised Support Vector algorithms. The real case study devoted to data-driven modeling of meteorological fields illustrates the discussed approach.

Uncertainty Quantification with Support Vector Regression Prediction Models

Uncertainty quantification of petroleum reservoir models is one of the present challenges, which is usually approached with a wide range of geostatistical tools linked with statistical optimisation or/and inference algorithms. The paper considers a data driven approach in modelling uncertainty in spatial predictions. Proposed semi-supervised Support Vector Regression (SVR) model has demonstrated its capability to represent realistic features and describe stochastic variability and non-uniqueness of spatial properties. It is able to capture and preserve key spatial dependencies such as connectivity, which is often difficult to achieve with two-point geostatistical models. Semi-supervised SVR is designed to integrate various kinds of conditioning data and learn dependences from them. A stochastic semi-supervised SVR model is integrated into a Bayesian framework to quantify uncertainty with multiple models fitted to dynamic observations. The developed approach is illustrated with a reservoir case study. The resulting probabilistic production forecasts are described by uncertainty envelopes.

Sequential Machine learning Approaches for Portfolio Management

Cette thèse envisage un ensemble de méthodes permettant aux algorithmes d'apprentissage statistique de mieux traiter la nature séquentielle des problèmes de gestion de portefeuilles financiers. Nous débutons par une considération du problème général de la composition d'algorithmes d'apprentissage devant gérer des tâches séquentielles, en particulier celui de la mise-à-jour efficace des ensembles d'apprentissage dans un cadre de validation séquentielle. Nous énumérons les desiderata que des primitives de composition doivent satisfaire, et faisons ressortir la difficulté de les atteindre de façon rigoureuse et efficace. Nous poursuivons en présentant un ensemble d'algorithmes qui atteignent ces objectifs et présentons une étude de cas d'un système complexe de prise de décision financière utilisant ces techniques. Nous décrivons ensuite une méthode générale permettant de transformer un problème de décision séquentielle non-Markovien en un problème d'apprentissage supervisé en employant un algorithme de recherche basé sur les K meilleurs chemins. Nous traitons d'une application en gestion de portefeuille où nous entraînons un algorithme d'apprentissage à optimiser directement un ratio de Sharpe (ou autre critère non-additif incorporant une aversion au risque). Nous illustrons l'approche par une étude expérimentale approfondie, proposant une architecture de réseaux de neurones spécialisée à la gestion de portefeuille et la comparant à plusieurs alternatives. Finalement, nous introduisons une représentation fonctionnelle de séries chronologiques permettant à des prévisions d'être effectuées sur un horizon variable, tout en utilisant un ensemble informationnel révélé de manière progressive. L'approche est basée sur l'utilisation des processus Gaussiens, lesquels fournissent une matrice de covariance complète entre tous les points pour lesquels une prévision est demandée. Cette information est utilisée à bon escient par un algorithme qui transige activement des écarts de cours (price spreads) entre des contrats à terme sur commodités. L'approche proposée produit, hors échantillon, un rendement ajusté pour le risque significatif, après frais de transactions, sur un portefeuille de 30 actifs.

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.

Annotation syntaxico-sémantique des actants en corpus spécialisé

L’annotation en rôles sémantiques est une tâche qui permet d’attribuer des étiquettes de rôles telles que Agent, Patient, Instrument, Lieu, Destination etc. aux différents participants actants ou circonstants (arguments ou adjoints) d’une lexie prédicative. Cette tâche nécessite des ressources lexicales riches ou des corpus importants contenant des phrases annotées manuellement par des linguistes sur lesquels peuvent s’appuyer certaines approches d’automatisation (statistiques ou apprentissage machine). Les travaux antérieurs dans ce domaine ont porté essentiellement sur la langue anglaise qui dispose de ressources riches, telles que PropBank, VerbNet et FrameNet, qui ont servi à alimenter les systèmes d’annotation automatisés. L’annotation dans d’autres langues, pour lesquelles on ne dispose pas d’un corpus annoté manuellement, repose souvent sur le FrameNet anglais. Une ressource telle que FrameNet de l’anglais est plus que nécessaire pour les systèmes d’annotation automatisé et l’annotation manuelle de milliers de phrases par des linguistes est une tâche fastidieuse et exigeante en temps. Nous avons proposé dans cette thèse un système automatique pour aider les linguistes dans cette tâche qui pourraient alors se limiter à la validation des annotations proposées par le système. Dans notre travail, nous ne considérons que les verbes qui sont plus susceptibles que les noms d’être accompagnés par des actants réalisés dans les phrases. Ces verbes concernent les termes de spécialité d’informatique et d’Internet (ex. accéder, configurer, naviguer, télécharger) dont la structure actancielle est enrichie manuellement par des rôles sémantiques. La structure actancielle des lexies verbales est décrite selon les principes de la Lexicologie Explicative et Combinatoire, LEC de Mel’čuk et fait appel partiellement (en ce qui concerne les rôles sémantiques) à la notion de Frame Element tel que décrit dans la théorie Frame Semantics (FS) de Fillmore. Ces deux théories ont ceci de commun qu’elles mènent toutes les deux à la construction de dictionnaires différents de ceux issus des approches traditionnelles. Les lexies verbales d’informatique et d’Internet qui ont été annotées manuellement dans plusieurs contextes constituent notre corpus spécialisé. Notre système qui attribue automatiquement des rôles sémantiques aux actants est basé sur des règles ou classificateurs entraînés sur plus de 2300 contextes. Nous sommes limités à une liste de rôles restreinte car certains rôles dans notre corpus n’ont pas assez d’exemples annotés manuellement. Dans notre système, nous n’avons traité que les rôles Patient, Agent et Destination dont le nombre d’exemple est supérieur à 300. Nous avons crée une classe que nous avons nommé Autre où nous avons rassemblé les autres rôles dont le nombre d’exemples annotés est inférieur à 100. Nous avons subdivisé la tâche d’annotation en sous-tâches : identifier les participants actants et circonstants et attribuer des rôles sémantiques uniquement aux actants qui contribuent au sens de la lexie verbale. Nous avons soumis les phrases de notre corpus à l’analyseur syntaxique Syntex afin d’extraire les informations syntaxiques qui décrivent les différents participants d’une lexie verbale dans une phrase. Ces informations ont servi de traits (features) dans notre modèle d’apprentissage. Nous avons proposé deux techniques pour l’identification des participants : une technique à base de règles où nous avons extrait une trentaine de règles et une autre technique basée sur l’apprentissage machine. Ces mêmes techniques ont été utilisées pour la tâche de distinguer les actants des circonstants. Nous avons proposé pour la tâche d’attribuer des rôles sémantiques aux actants, une méthode de partitionnement (clustering) semi supervisé des instances que nous avons comparée à la méthode de classification de rôles sémantiques. Nous avons utilisé CHAMÉLÉON, un algorithme hiérarchique ascendant.

Recognition of Facial Expressions with Autoencoders and Convolutional-Nets

Les humains communiquent via différents types de canaux: les mots, la voix, les gestes du corps, des émotions, etc. Pour cette raison, un ordinateur doit percevoir ces divers canaux de communication pour pouvoir interagir intelligemment avec les humains, par exemple en faisant usage de microphones et de webcams. Dans cette thèse, nous nous intéressons à déterminer les émotions humaines à partir d’images ou de vidéo de visages afin d’ensuite utiliser ces informations dans différents domaines d’applications. Ce mémoire débute par une brève introduction à l'apprentissage machine en s’attardant aux modèles et algorithmes que nous avons utilisés tels que les perceptrons multicouches, réseaux de neurones à convolution et autoencodeurs. Elle présente ensuite les résultats de l'application de ces modèles sur plusieurs ensembles de données d'expressions et émotions faciales. Nous nous concentrons sur l'étude des différents types d’autoencodeurs (autoencodeur débruitant, autoencodeur contractant, etc) afin de révéler certaines de leurs limitations, comme la possibilité d'obtenir de la coadaptation entre les filtres ou encore d’obtenir une courbe spectrale trop lisse, et étudions de nouvelles idées pour répondre à ces problèmes. Nous proposons également une nouvelle approche pour surmonter une limite des autoencodeurs traditionnellement entrainés de façon purement non-supervisée, c'est-à-dire sans utiliser aucune connaissance de la tâche que nous voulons finalement résoudre (comme la prévision des étiquettes de classe) en développant un nouveau critère d'apprentissage semi-supervisé qui exploite un faible nombre de données étiquetées en combinaison avec une grande quantité de données non-étiquetées afin d'apprendre une représentation adaptée à la tâche de classification, et d'obtenir une meilleure performance de classification. Finalement, nous décrivons le fonctionnement général de notre système de détection d'émotions et proposons de nouvelles idées pouvant mener à de futurs travaux.

Short-Term Load Forecast Of A Low Loadfactor Power System For Optimization Of Merit Order Dispatch Using Adaptive Learning Algorithm

Short term load forecasting is one of the key inputs to optimize the management of power system. Almost 60-65% of revenue expenditure of a distribution company is against power purchase. Cost of power depends on source of power. Hence any optimization strategy involves optimization in scheduling power from various sources. As the scheduling involves many technical and commercial considerations and constraints, the efficiency in scheduling depends on the accuracy of load forecast. Load forecasting is a topic much visited in research world and a number of papers using different techniques are already presented. The accuracy of forecast for the purpose of merit order dispatch decisions depends on the extent of the permissible variation in generation limits. For a system with low load factor, the peak and the off peak trough are prominent and the forecast should be able to identify these points to more accuracy rather than minimizing the error in the energy content. In this paper an attempt is made to apply Artificial Neural Network (ANN) with supervised learning based approach to make short term load forecasting for a power system with comparatively low load factor. Such power systems are usual in tropical areas with concentrated rainy season for a considerable period of the year

Learning-Based Approach to Real Time Tracking and Analysis of Faces

This paper describes a trainable system capable of tracking faces and facialsfeatures like eyes and nostrils and estimating basic mouth features such as sdegrees of openness and smile in real time. In developing this system, we have addressed the twin issues of image representation and algorithms for learning. We have used the invariance properties of image representations based on Haar wavelets to robustly capture various facial features. Similarly, unlike previous approaches this system is entirely trained using examples and does not rely on a priori (hand-crafted) models of facial features based on optical flow or facial musculature. The system works in several stages that begin with face detection, followed by localization of facial features and estimation of mouth parameters. Each of these stages is formulated as a problem in supervised learning from examples. We apply the new and robust technique of support vector machines (SVM) for classification in the stage of skin segmentation, face detection and eye detection. Estimation of mouth parameters is modeled as a regression from a sparse subset of coefficients (basis functions) of an overcomplete dictionary of Haar wavelets.

Fast Learning by Bounding Likelihoods in Sigmoid Type Belief Networks

Sigmoid type belief networks, a class of probabilistic neural networks, provide a natural framework for compactly representing probabilistic information in a variety of unsupervised and supervised learning problems. Often the parameters used in these networks need to be learned from examples. Unfortunately, estimating the parameters via exact probabilistic calculations (i.e, the EM-algorithm) is intractable even for networks with fairly small numbers of hidden units. We propose to avoid the infeasibility of the E step by bounding likelihoods instead of computing them exactly. We introduce extended and complementary representations for these networks and show that the estimation of the network parameters can be made fast (reduced to quadratic optimization) by performing the estimation in either of the alternative domains. The complementary networks can be used for continuous density estimation as well.

Object and Scene Classification: what does a Supervised Approach Provide us?

Given a set of images of scenes containing different object categories (e.g. grass, roads) our objective is to discover these objects in each image, and to use this object occurrences to perform a scene classification (e.g. beach scene, mountain scene). We achieve this by using a supervised learning algorithm able to learn with few images to facilitate the user task. We use a probabilistic model to recognise the objects and further we classify the scene based on their object occurrences. Experimental results are shown and evaluated to prove the validity of our proposal. Object recognition performance is compared to the approaches of He et al. (2004) and Marti et al. (2001) using their own datasets. Furthermore an unsupervised method is implemented in order to evaluate the advantages and disadvantages of our supervised classification approach versus an unsupervised one

The assessment of the quality of sugar using electronic tongue and machine learning algorithms

The correct classification of sugar according to its physico-chemical characteristics directly influences the value of the product and its acceptance by the market. This study shows that using an electronic tongue system along with established techniques of supervised learning leads to the correct classification of sugar samples according to their qualities. In this paper, we offer two new real, public and non-encoded sugar datasets whose attributes were automatically collected using an electronic tongue, with and without pH controlling. Moreover, we compare the performance achieved by several established machine learning methods. Our experiments were diligently designed to ensure statistically sound results and they indicate that k-nearest neighbors method outperforms other evaluated classifiers and, hence, it can be used as a good baseline for further comparison. © 2012 IEEE.