Dois dos principais fatores do aumento da performance em aplicações single-thread – frequência de operação e exploração do paralelismo no nível das instruções – tiveram pouco avanço nos últimos anos devido a restrições de potência. Neste contexto, considerando a natureza tolerante a imprecisões (i.e.: suas saídas podem conter um nível aceitável de ruído sem comprometer o resultado final) de muitas aplicações atuais, como processamento de imagens e aprendizado de máquina, a computação aproximativa torna-se uma abordagem atrativa. Esta técnica baseia-se em computar valores aproximados ao invés de precisos que, por sua vez, pode aumentar o desempenho e reduzir o consumo energético ao custo de qualidade. No atual estado da arte, a forma mais comum de exploração da técnica é através de redes neurais (mais especificamente, o modelo Multilayer Perceptron), devido à capacidade destas estruturas de aprender funções arbitrárias e aproximá-las. Tais redes são geralmente implementadas em um hardware dedicado, chamado acelerador neural. Contudo, essa execução exige uma grande quantidade de área em chip e geralmente não oferece melhorias suficientes que justifiquem este espaço adicional. Este trabalho tem por objetivo propor um novo mecanismo para fazer computação aproximativa, baseado em reúso aproximativo de funções e trechos de código. Esta técnica agrupa automaticamente entradas e saídas de dados por similaridade, armazena-os em uma tabela em memória controlada via software. A partir disto, os valores quantizados podem ser reutilizados através de uma busca a essa tabela, onde será selecionada a saída mais apropriada e desta forma a execução do trecho de código será substituído. A aplicação desta técnica é bastante eficaz, sendo capaz de alcançar uma redução, em média, de 97.1% em Energy-Delay-Product (EDP) quando comparado a aceleradores neurais. / Two of the major drivers of increased performance in single-thread applications - increase in operation frequency and exploitation of instruction-level parallelism - have had little advances in the last years due to power constraints. In this context, considering the intrinsic imprecision-tolerance (i.e., outputs may present an acceptable level of noise without compromising the result) of many modern applications, such as image processing and machine learning, approximate computation becomes a promising approach. This technique is based on computing approximate instead of accurate results, which can increase performance and reduce energy consumption at the cost of quality. In the current state of the art, the most common way of exploiting the technique is through neural networks (more specifically, the Multilayer Perceptron model), due to the ability of these structures to learn arbitrary functions and to approximate them. Such networks are usually implemented in a dedicated neural accelerator. However, this implementation requires a large amount of chip area and usually does not offer enough improvements to justify this additional cost. The goal of this work is to propose a new mechanism to address approximate computation, based on approximate reuse of functions and code fragments. This technique automatically groups input and output data by similarity and stores this information in a sofware-controlled memory. Based on these data, the quantized values can be reused through a search to this table, in which the most appropriate output will be selected and, therefore, execution of the original code will be replaced. Applying this technique is effective, achieving an average 97.1% reduction in Energy-Delay-Product (EDP) when compared to neural accelerators.

Granular computing facilitates dealing with information by providing a theoretical framework to deal with information as granules at different levels of granularity (different levels of specificity/abstraction). It aims to provide an abstract explainable description of the data by forming granules that represent the features or the underlying structure of corresponding subsets of the data. In this thesis, a granular computing approach to the design of intelligent classification systems is proposed. The proposed approach is employed for different classification systems to investigate its efficiency. Fuzzy inference systems, neural networks, neuro-fuzzy systems and classifier ensembles are considered to evaluate the efficiency of the proposed approach. Each of the considered systems is designed using the proposed approach and classification performance is evaluated and compared to that of the standard system. The proposed approach is based on constructing information granules from data at multiple levels of granularity. The granulation process is performed using a modified fuzzy c-means algorithm that takes classification problem into account. Clustering is followed by a coarsening process that involves merging small clusters into large ones to form a lower granularity level. The resulted granules are used to build each of the considered binary classifiers in different settings and approaches. Granules produced by the proposed granulation method are used to build a fuzzy classifier for each granulation level or set of levels. The performance of the classifiers is evaluated using real life data sets and measured by two classification performance measures: accuracy and area under receiver operating characteristic curve. Experimental results show that fuzzy systems constructed using the proposed method achieved better classification performance. In addition, the proposed approach is used for the design of neural network classifiers. Resulted granules from one or more granulation levels are used to train the classifiers at different levels of specificity/abstraction. Using this approach, the classification problem is broken down into the modelling of classification rules represented by the information granules resulting in more interpretable system. Experimental results show that neural network classifiers trained using the proposed approach have better classification performance for most of the data sets. In a similar manner, the proposed approach is used for the training of neuro-fuzzy systems resulting in similar improvement in classification performance. Lastly, neural networks built using the proposed approach are used to construct a classifier ensemble. Information granules are used to generate and train the base classifiers. The final ensemble output is produced by a weighted sum combiner. Based on the experimental results, the proposed approach has improved the classification performance of the base classifiers for most of the data sets. Furthermore, a genetic algorithm is used to determine the combiner weights automatically.

Dois dos principais fatores do aumento da performance em aplicações single-thread – frequência de operação e exploração do paralelismo no nível das instruções – tiveram pouco avanço nos últimos anos devido a restrições de potência. Neste contexto, considerando a natureza tolerante a imprecisões (i.e.: suas saídas podem conter um nível aceitável de ruído sem comprometer o resultado final) de muitas aplicações atuais, como processamento de imagens e aprendizado de máquina, a computação aproximativa torna-se uma abordagem atrativa. Esta técnica baseia-se em computar valores aproximados ao invés de precisos que, por sua vez, pode aumentar o desempenho e reduzir o consumo energético ao custo de qualidade. No atual estado da arte, a forma mais comum de exploração da técnica é através de redes neurais (mais especificamente, o modelo Multilayer Perceptron), devido à capacidade destas estruturas de aprender funções arbitrárias e aproximá-las. Tais redes são geralmente implementadas em um hardware dedicado, chamado acelerador neural. Contudo, essa execução exige uma grande quantidade de área em chip e geralmente não oferece melhorias suficientes que justifiquem este espaço adicional. Este trabalho tem por objetivo propor um novo mecanismo para fazer computação aproximativa, baseado em reúso aproximativo de funções e trechos de código. Esta técnica agrupa automaticamente entradas e saídas de dados por similaridade, armazena-os em uma tabela em memória controlada via software. A partir disto, os valores quantizados podem ser reutilizados através de uma busca a essa tabela, onde será selecionada a saída mais apropriada e desta forma a execução do trecho de código será substituído. A aplicação desta técnica é bastante eficaz, sendo capaz de alcançar uma redução, em média, de 97.1% em Energy-Delay-Product (EDP) quando comparado a aceleradores neurais. / Two of the major drivers of increased performance in single-thread applications - increase in operation frequency and exploitation of instruction-level parallelism - have had little advances in the last years due to power constraints. In this context, considering the intrinsic imprecision-tolerance (i.e., outputs may present an acceptable level of noise without compromising the result) of many modern applications, such as image processing and machine learning, approximate computation becomes a promising approach. This technique is based on computing approximate instead of accurate results, which can increase performance and reduce energy consumption at the cost of quality. In the current state of the art, the most common way of exploiting the technique is through neural networks (more specifically, the Multilayer Perceptron model), due to the ability of these structures to learn arbitrary functions and to approximate them. Such networks are usually implemented in a dedicated neural accelerator. However, this implementation requires a large amount of chip area and usually does not offer enough improvements to justify this additional cost. The goal of this work is to propose a new mechanism to address approximate computation, based on approximate reuse of functions and code fragments. This technique automatically groups input and output data by similarity and stores this information in a sofware-controlled memory. Based on these data, the quantized values can be reused through a search to this table, in which the most appropriate output will be selected and, therefore, execution of the original code will be replaced. Applying this technique is effective, achieving an average 97.1% reduction in Energy-Delay-Product (EDP) when compared to neural accelerators.

O agrupamento de dados é uma técnica fundamental em aplicações de diversos campos do mercado e da ciência, como, por exemplo, no comércio, na biologia, na psiquiatria, na astronomia e na mineração da Web. Ocorre que em um subconjunto desses campos, como engenharia industrial, ciências sociais, engenharia sísmica e recuperação de documentos, as bases de dados são usualmente descritas apenas pelas proximidades entre os objetos (denominadas bases de dados relacionais). Mesmo em aplicações nas quais os dados não são naturalmente relacionais, o uso de bases relacionais permite que os dados em si sejam mantidos sob sigilo, o que pode ser de grande valia para bancos ou corretoras, por exemplo. Nesta dissertação é apresentada uma revisão de algoritmos de agrupamento de dados que lidam com bases de dados relacionais, com foco em algoritmos que produzem partições rígidas (hard ou crisp) dos dados. Particular ênfase é dada aos algoritmos evolutivos, que têm se mostrado capazes de resolver problemas de agrupamento de dados com relativa acurácia e de forma computacionalmente eficiente. Nesse contexto, propõe-se nesta dissertação um novo algoritmo evolutivo de agrupamento capaz de operar sobre dados relacionais e também capaz de estimar automaticamente o número de grupos nos dados (usualmente desconhecido em aplicações práticas). É demonstrado empiricamente que esse novo algoritmo pode superar métodos tradicionais da literatura em termos de eficiência computacional e acurácia / Data clustering is a fundamental technique for applications in several fields of science and marketing, as commerce, biology, psychiatry, astronomy, and Web mining. However, in a subset of these fields, such as industrial engineering, social sciences, earthquake engineering, and retrieval of documents, datasets are usually described only by proximities between their objects (called relational datasets). Even in applications where the data are not naturally relational, the use of relational datasets preserves the datas secrecy, which can be of great value to banks or brokers, for instance. This dissertation presents a review of data clustering algorithms which deals with relational datasets, with a focus on algorithms that produce hard or crisp partitions of data. Particular emphasis is given to evolutionary algorithms, which have proved of being able to solve problems of data clustering accurately and efficiently. In this context, we propose a new evolutionary algorithm for clustering able to operate on relational datasets and also able to automatically estimate the number of clusters (which is usually unknown in practical applications). It is empirically shown that this new algorithm can overcome traditional methods described in the literature in terms of computational efficiency and accuracy

Acrescente capacidade de armazenamento introduziu novos desafios no contexto de exploração de grandes bases de dados de músicas. Esse trabalho consiste em investigar técnicas de comparação de músicas representadas por sinais polifônicos, com o objetivo de encontrar similaridades, permitindo a identificação de músicas cover em grandes bases de dados. Técnicas de extração de características a partir de sinais musicais foram estudas, como também métricas de comparação a partir das características obtidas. Os resultados mostraram que é possível encontrar um novo método de identificação de covers com um menor custo computacional do que os existentes, mantendo uma boa precisão / The growing capacity in storage and transmission of songs has introduced a new challenges in the context of large music data sets exploration. This work aims at investigating techniques for comparison of songs represented by polyphonic signals, towards identifying cover songs in large data sets. Techniques for music feature extraction were evaluated and compared. The results show that it is possible to develop new methods for cover identification with a lower computational cost when compared to existing solutions, while keeping the good precision

Existem bases para as quais os dados são naturalmente representados por mais de uma visão. Por exemplo, imagens podem ser descritas por atributos de cores, textura e forma. Proteínas podem ser caracterizadas pela sequência de aminoácidos e pela representação tridimensional. A unificação das diferentes visões de uma base de dados pode ser problemática porque elas podem não ser comparáveis entre si ou podem apresentar diferentes graus de importância. Esses graus de importância podem, inclusive, se manifestar de maneira local, de acordo com a subestrutura dos dados em questão. Isso motivou o surgimento de algoritmos de agrupamento de dados capazes de lidar com bases multi-representadas (i.e., que possuem mais de uma visão dos dados), como o algoritmo SCAD. Esse algoritmo se mostrou promissor em experimentos relatados na literatura, mas possui problemas críticos identificados neste trabalho que o impedem de funcionar em determinados cenários. Tais problemas foram solucionados por meio da proposição de uma nova versão do algoritmo, denominada ASCAD, fundamentada em provas formais sobre a sua convergência. Foram desenvolvidas versões relacionais do algoritmo ASCAD, capazes de lidar com bases descritas apenas por relações de proximidade entre os objetos. Foi desenvolvido também um índice de validação interna e relativa de agrupamento voltado para dados multi-representados. A avaliação de agrupamento possibilístico e de bi-agrupamento por meio da comparação entre solução encontrada e solução de referência (validação externa) também foi explorada. Algoritmos de bi-agrupamento têm ganhado um interesse crescente da comunidade de análise de expressão gênica. No entanto, pouco se conhece do comportamento e das propriedades das medidas voltadas para validação externa de bi-agrupamento, o que motivou uma análise teórica e empírica dessas medidas. Essa análise mostrou que a maioria das medidas de biagrupamento possui problemas críticos e destacou duas delas como sendo as mais promissoras. Foram inclusas nessa análise três medidas de agrupamento particional não exclusivo, cujo uso na comparação de bi-agrupamentos é possível por meio de uma nova abordagem de avaliação de bi-agrupamento proposta nesta tese. Agrupamento particional não exclusivo faz parte de um domínio mais geral de soluções, i.e., o domínio dos agrupamentos possibilísticos. Observou-se algumas falhas conceituais importantes das medidas de agrupamento possibilístico, o que motivou o desenvolvimento de novas medidas e de uma análise empírica e conceitual envolvendo 34 medidas. Uma das medidas propostas se destacou como sendo a única que apresentou avaliações imparciais com relação ao número de grupos, o valor máximo de similaridade ao comparar a solução ideal encontrada com a solução de referência e avaliações sensíveis às diferenças das soluções em todos os cenários considerados / There are data sets for which the instances are naturally represented by more than one view. For example, images can be described by attributes of color, texture, and shape. Proteins can be characterized by the amino acid sequence and by their three-dimensional description. The unification of different views of a data set can be problematic because they may not be comparable or may have different degrees of importance. These degrees of importance may even manifest itself locally, according to the data substructures. This prompted the emergence of clustering algorithms capable of handling multi-represented data sets (i.e., data sets having more than one view) as the SCAD algorithm. This algorithm has shown promising results in experiments reported in the literature, but it has critical problems identified in this work that hinder its application in certain scenarios. These problems were solved here by proposing a new version of the algorithm, called ASCAD, based on formal proofs about its correctness. We developed relational versions for ASCAD, capable of handling data sets described only by the proximities between the instances. We also developed an index for internal and relative validation of multi-represented data clusterings. The evaluation of possibilistic clustering and bi-clustering by comparing the found and reference solutions (external validation) was also explored. Bi-clustering algorithms have gained increasing interest from the community of gene expression analysis. However, little is known of the behavior and properties of the measures aimed at external validation of bi-clustering, which motivated a theoretical and empirical analysis of these measures in this work. This analysis showed that most bi-clustering measures has critical issues and highlighted two of the measures as being the most promising. We included in this analysis three measures of non-exclusive partitional clustering, whose use in comparing bi-clusterings is possible through a new approach proposed in this thesis. Non-exclusive partitional clustering belong to a more general domain of solutions, i.e., the domain of possibilistic clusterings. There are some important conceptual flaws in the measures of possibilistic clustering, which motivated us to develop new measures and to conceptually and empirically analyse 34 measures. One of the proposed measures stood out as being the one who presented unbiased evaluations regarding the number of clusters, the maximum similarity when comparing the optimal solution with the reference one, and evaluations sensitive to solution differences in all scenarios considered

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:38:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marcio Frayze David.pdf: 699315 bytes, checksum: 587538708d29252e3c3a8f5c46cbaa53 (MD5) Previous issue date: 2010-05-03 / Fundo Mackenzie de Pesquisa / This dissertation discusses the use of bio-inspired algorithms for data clustering, with emphasis on a model of emergent collective behavior of agents and a new clustering algorithm called cBoids is presented. The cBoids algorithm is a variation of the classic Boids model. In this new algorithm, each Boid represents an object from the data base and the three original rules from the Boids model were modified so that the objects of the database have influence on the behaviour of the Boids. Two new rules have also been proposed, responsible for the creation and destruction of centroids, which represent the formed clusters. In the experiments conducted in this work the algorithm was successfully tested on four databases. / Esta dissertação aborda o uso de algoritmos bioinspirados para a tarefa de agrupamento de dados , com ênfase nos modelos de comportamentos emergentes coletivos de agentes e um novo algoritmo de agrupamento de dados chamado cBoids é apresentado. O algoritmo cBoids é uma variação do clássico modelo Boids. Neste novo algoritmo, cada Boid representa um objeto da base de dados e as três regras originais do modelo Boids foram alteradas para que os objetos da base de dados influenciem o comportamento dos Boids. Duas novas regras também foram propostas, responsáveis pela criação e destruição de centróides, que representam os clusters formados. Nos experimentos realizados nesta dissertação o algoritmo foi testado com sucesso em quatro bases de dados.

Com o advento da tecnologia de microarray, uma grande quantidade de dados de expressão gênica encontra-se disponível. Após a extração das taxas de expressão dos genes, técnicas de formação de clusters são utilizadas para a análise dos dados. Diante da diversidade do conhecimento que pode ser extraído dos dados de expressão gênica, existe a necessidade de diferentes técnicas de formação de clusters. O modelo dinâmico desenvolvido em (Zhao et. al. 2003a) apresenta diversas características interessantes para o problema de formação de clusters, entre as quais podemos citar: a não necessidade de fornecer o número de cluster, a propriedade de multi-escala, serem altamente paralelos e, principalmente, permitirem a inserção de regras e mecanismos mais complexos para a formação dos clusters. Todavia, este modelo apresenta dificuldades em determinar clusters de formato e tamanho arbitrários, além de não realizar a clusterização hierárquica, sendo estas duas características desejáveis para uma técnica de clusterização. Neste trabalho, foram desenvolvidas três técnicas para superar as limitações do modelo dinâmico proposto em (Zhao et. al. 2003a). O Modelo1, o qual é uma simplificação do modelo dinâmico original, porém mais eficiente. O Modelo2, que a partir da inserção de um novo conjunto de elementos no modelo dinâmico, permite a formação de clusters de formato e tamanho arbitrário. E um algoritmo para a clusterização hierárquica que utiliza o Modelo1 como bloco de construção. Os modelos desenvolvidos foram aplicados em dados biológicos, segmentando imagens de microarray e auxiliando na análise do conjunto expressão de genes de St. Jude Leukemia. / With the advent of microarray technology, a large amount of gene expression data is now available. Clustering is the computational technique usually employed to analyze and explore the data produced by microarrays. Due to the variety of information that can be extracted from the expression data, many clustering techniques with different approaches are needed. In the work proposed by (Zhao et. al. 2003a), the dynamical model for data clustering has several interesting features to the clustering task: the number of clusters does not need to be known, the multi-scale property, high parallelism, and it is flexible to use more complex rules while clustering the data. However, two desirable features for clustering techniques are not present: the ability to detect different clusters sizes and shapes, and a hierarchical representation of the clusters. This project presents three techniques, overcoming the restrictions of the dynamical model proposed by (Zhao et. al. 2003a). The first technique, called Model1, is more effective than the original model and was obtained simplifying it. The second technique, called Model2, is capable of detecting different clusters sizes and shapes. The third technique consists in a hierarchical algorithm that uses Model1 as a building block. The techniques here developed were used with biological data. Microarray image segmentation was performed and the St. Jude Leukemia gene expression data was analyzed and explored.

Our intention is to find similarity among the time series expressions of the genes in microarray experiments. It is hypothesized that at a given time point the concentration of one gene’s mRNA is directly affected by the concentration of other gene’s mRNA, and may have biological significance. We define dissimilarity between two time-series data set as the variance of Euclidean distances of each time points. The large numbers of gene expressions make the calculation of variance of distance in each point computationally expensive and therefore computationally challenging in terms of execution time. For this reason we use autoregressive model which estimates nineteen points gene expression to a three point vector. It allows us to find variance of difference between two data sets without point-to-point matching. Previous analysis from the microarray experiments data found that 62 genes are regulated following EGF (Epidermal Growth Factor) and HRG (Heregulin) treatment of the MCF-7 breast cancer cells. We have chosen these suspected cancer-related genes as our reference and investigated which additional set of genes has similar time point expression profiles. Keeping variance of difference as a measure of distance, we have used several methods for clustering the gene expression data, such as our own maximum clique finding heuristics and hierarchical clustering. The results obtained were validated through a text mining study. New predictions from our study could be a basis for further investigations in the genesis of breast cancer. Overall in 84 new genes are found in which 57 genes are related to cancer among them 35 genes are associated with breast cancer.

A Clusterização de dados em grupos oferece uma maneira de entender e extrair informações relevantes de grandes conjuntos de dados. A abordagem em relação a aspectos como a representação dos dados e medida de similaridade entre clusters, e a necessidade de ajuste de parâmetros iniciais são as principais diferenças entre os algoritmos de clusterização, influenciando na qualidade da divisão dos clusters. O uso cada vez mais comum de grandes conjuntos de dados aliado à possibilidade de melhoria das técnicas já existentes tornam a clusterização de dados uma área de pesquisa que permite inovações em diferentes campos. Nesse trabalho é feita uma revisão dos métodos de clusterização já existentes, e é descrito um novo método de clusterização de dados baseado na identificação de comunidades em redes complexas e modelos computacionais inspirados biologicamente. A técnica de clusterização proposta é composta por duas etapas: formação da rede usando os dados de entrada; e particionamento dessa rede para obtenção dos clusters. Nessa última etapa, a técnica de otimização por nuvens de partículas é utilizada a fim de identificar os clusters na rede, resultando em um algoritmo de clusterização hierárquico divisivo. Resultados experimentais revelaram como características do método proposto a capacidade de detecção de clusters de formas arbitrárias e a representação de clusters com diferentes níveis de refinamento. / DAta clustering is an important technique to understand and to extract relevant information in large datasets. Data representation and similarity measure adopted, and the need to adjust initial parameters, are the main differences among clustering algorithms, interfering on clusters quality. The crescent use of large datasets and the possibility to improve existing techniques make data clustering a research area that allows innovation in different fields. In this work is made a review of existing data clustering methods, and it is proposed a new data clustering technique based on community dectection on complex networks and bioinspired models. The proposed technique is composed by two steps: network formation to represent input data; and network partitioning to identify clusters. In the last step, particle swarm optimization technique is used to detect clusters, resulting in an hierarchical clustering algorithm. Experimental results reveal two main features of the algorithm: the ability to detect clusters in arbitrary shapes and the ability to generate clusters with different refinement degrees