Os seres vivos têm uma impressionante capacidade de lidar com ambientes complexos com grandes quantidades de informações de forma muito autônoma. Isto os torna um modelo ideal para o desenvolvimento de sistemas artificiais bioinspirados. A rede neural artificial auto-organizada de Kohonen é um excelente exemplo de um sistema baseado nos modelos biológicos. Esta tese discutirá ilustrativamente o reconhecimento e a generalização de padrões em alta dimensão nos sistemas biológicos e como eles lidam com redução de dimensionalidade para otimizar o armazenamento e o acesso às informações memorizadas para fins de reconhecimento e categorização de padrões, mas apenas para contextualizar o tema com as propostas desta tese. As novas propostas desenvolvidas nesta tese são úteis para aplicações de extração não supervisionada de conhecimento a partir dos mapas auto-organizados. Trabalha-se sobre o modelo da Rede Neural de Kohonen, mas algumas das metodologias propostas também são aplicáveis com outras abordagens de redes neurais auto-organizadas. Será apresentada uma técnica de reconstrução visual dos neurônios do Mapa de Kohonen gerado pelo método híbrido PCA+SOM. Essa técnica é útil quando se trabalha com banco de dados de imagens. Propõe-se também um método para melhorar a representação dos dados do mapa SOM e discute-se o resultado do mapeamento SOM como uma generalização das informações do espaço de dados. Finalmente, apresenta-se um método de exploração de espaço de dados em alta dimensão de maneira auto-organizada, baseado no manifold dos dados, cuja proposta foi denominada Self Organizing Manifold Mapping (SOMM). São apresentados os resultados computacionais de ensaios realizados com cada uma das propostas acima e eles são avaliados as com métricas de qualidade conhecidas, além de uma nova métrica que está sendo proposta neste trabalho. / Living beings have an amazing capacity to deal with complex environments with large amounts of information autonomously. They are the perfect model for bioinspired artificial system development. The artificial neural network developed by Kohonen is an excellent example of a system based on biological models. In this thesis, we will discuss illustratively pattern recognition and pattern generalization in high dimensional data space by biological system. Then, a brief discussion of how they manage dimensionality reduction to optimize memory space and speed up information access in order to categorize and recognize patterns. The new proposals developed in this thesis are useful for applications of unsupervised knowledge extraction using self-organizing maps. The proposals use Kohonens model. However, any self-organizing neural network in general can also use the proposed techniques. It will be presented a visual reconstruction technique for Kohonens neurons, which was generated by hybrid method PCA+SOM. This technique is useful when working with images database. It is also proposed a method for improving the representation of SOMs map and discussing the result of the SOMs mapping as a generalization of the information data space. Finally, it is proposed a method for exploring high dimension data space in a self-organized way on the data manifold. This new proposal was called Self Organizing Manifold Mapping (SOMM). We present the results of computational experiments on each of the above proposals and evaluate the results using known quality metrics, as well as a new metric that is being proposed in this thesis.

Os seres vivos têm uma impressionante capacidade de lidar com ambientes complexos com grandes quantidades de informações de forma muito autônoma. Isto os torna um modelo ideal para o desenvolvimento de sistemas artificiais bioinspirados. A rede neural artificial auto-organizada de Kohonen é um excelente exemplo de um sistema baseado nos modelos biológicos. Esta tese discutirá ilustrativamente o reconhecimento e a generalização de padrões em alta dimensão nos sistemas biológicos e como eles lidam com redução de dimensionalidade para otimizar o armazenamento e o acesso às informações memorizadas para fins de reconhecimento e categorização de padrões, mas apenas para contextualizar o tema com as propostas desta tese. As novas propostas desenvolvidas nesta tese são úteis para aplicações de extração não supervisionada de conhecimento a partir dos mapas auto-organizados. Trabalha-se sobre o modelo da Rede Neural de Kohonen, mas algumas das metodologias propostas também são aplicáveis com outras abordagens de redes neurais auto-organizadas. Será apresentada uma técnica de reconstrução visual dos neurônios do Mapa de Kohonen gerado pelo método híbrido PCA+SOM. Essa técnica é útil quando se trabalha com banco de dados de imagens. Propõe-se também um método para melhorar a representação dos dados do mapa SOM e discute-se o resultado do mapeamento SOM como uma generalização das informações do espaço de dados. Finalmente, apresenta-se um método de exploração de espaço de dados em alta dimensão de maneira auto-organizada, baseado no manifold dos dados, cuja proposta foi denominada Self Organizing Manifold Mapping (SOMM). São apresentados os resultados computacionais de ensaios realizados com cada uma das propostas acima e eles são avaliados as com métricas de qualidade conhecidas, além de uma nova métrica que está sendo proposta neste trabalho. / Living beings have an amazing capacity to deal with complex environments with large amounts of information autonomously. They are the perfect model for bioinspired artificial system development. The artificial neural network developed by Kohonen is an excellent example of a system based on biological models. In this thesis, we will discuss illustratively pattern recognition and pattern generalization in high dimensional data space by biological system. Then, a brief discussion of how they manage dimensionality reduction to optimize memory space and speed up information access in order to categorize and recognize patterns. The new proposals developed in this thesis are useful for applications of unsupervised knowledge extraction using self-organizing maps. The proposals use Kohonens model. However, any self-organizing neural network in general can also use the proposed techniques. It will be presented a visual reconstruction technique for Kohonens neurons, which was generated by hybrid method PCA+SOM. This technique is useful when working with images database. It is also proposed a method for improving the representation of SOMs map and discussing the result of the SOMs mapping as a generalization of the information data space. Finally, it is proposed a method for exploring high dimension data space in a self-organized way on the data manifold. This new proposal was called Self Organizing Manifold Mapping (SOMM). We present the results of computational experiments on each of the above proposals and evaluate the results using known quality metrics, as well as a new metric that is being proposed in this thesis.

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