Visual object category recognition is one of the most challenging problems in computer vision. Even assuming that we can obtain a near-perfect instance level representation with the advances in visual input devices and low-level vision techniques, object categorization still remains as a difficult problem because it requires drawing boundaries between instances in a continuous world, where the boundaries are solely defined by human conceptualization. Object categorization is essentially a perceptual process that takes place in a human-defined semantic space. In this semantic space, the categories reside not in isolation, but in relation to others. Some categories are similar, grouped, or co-occur, and some are not. However, despite this semantic nature of object categorization, most of the today's automatic visual category recognition systems rely only on the category labels for training discriminative recognition with statistical machine learning techniques. In many cases, this could result in the recognition model being misled into learning incorrect associations between visual features and the semantic labels, from essentially overfitting to training set biases. This limits the model's prediction power when new test instances are given. Using semantic knowledge has great potential to benefit object category recognition. First, semantic knowledge could guide the training model to learn a correct association between visual features and the categories. Second, semantics provide much richer information beyond the membership information given by the labels, in the form of inter-category and category-attribute distances, relations, and structures. Finally, the semantic knowledge scales well as the relations between categories become larger with an increasing number of categories. My goal in this thesis is to learn discriminative models for categorization that leverage semantic knowledge for object recognition, with a special focus on the semantic relationships among different categories and concepts. To this end, I explore three semantic sources, namely attributes, taxonomies, and analogies, and I show how to incorporate them into the original discriminative model as a form of structural regularization. In particular, for each form of semantic knowledge I present a feature learning approach that defines a semantic embedding to support the object categorization task. The regularization penalizes the models that deviate from the known structures according to the semantic knowledge provided. The first semantic source I explore is attributes, which are human-describable semantic characteristics of an instance. While the existing work treated them as mid-level features which did not introduce new information, I focus on their potential as a means to better guide the learning of object categories, by enforcing the object category classifiers to share features with attribute classifiers, in a multitask feature learning framework. This approach essentially discovers the common low-dimensional features that support predictions in both semantic spaces. Then, I move on to the semantic taxonomy, which is another valuable source of semantic knowledge. The merging and splitting criteria for the categories on a taxonomy are human-defined, and I aim to exploit this implicit semantic knowledge. Specifically, I propose a tree of metrics (ToM) that learns metrics that capture granularity-specific similarities at different nodes of a given semantic taxonomy, and uses a regularizer to isolate granularity-specific disjoint features. This approach captures the intuition that the features used for the discrimination of the parent class should be different from the features used for the children classes. Such learned metrics can be used for hierarchical classification. The use of a single taxonomy can be limited in that its structure is not optimal for hierarchical classification, and there may exist no single optimal semantic taxonomy that perfectly aligns with visual distributions. Thus, I next propose a way to overcome this limitation by leveraging multiple taxonomies as semantic sources to exploit, and combine the acquired complementary information across multiple semantic views and granularities. This allows us, for example, to synthesize semantics from both 'Biological', and 'Appearance'-based taxonomies when learning the visual features. Finally, as a further exploration of more complex semantic relations different from the previous two pairwise similarity-based models, I exploit analogies, which encode the relational similarities between two related pairs of categories. Specifically, I use analogies to regularize a discriminatively learned semantic embedding space for categorization, such that the displacements between the two category embeddings in both category pairs of the analogy are enforced to be the same. Such a constraint allows for a more confusing pair of categories to benefit from a clear separation in the matched pair of categories that share the same relation. All of these methods are evaluated on challenging public datasets, and are shown to effectively improve the recognition accuracy over purely discriminative models, while also guiding the recognition to be more semantic to human perception. Further, the applications of the proposed methods are not limited to visual object categorization in computer vision, but they can be applied to any classification problems where there exists some domain knowledge about the relationships or structures between the classes. Possible applications of my methods outside the visual recognition domain include document classification in natural language processing, and gene-based animal or protein classification in computational biology. / text

Les recherches en Traitement Automatique des Langues (TAL) ont identifié différents niveaux d'analyse lexicale, syntaxique et sémantique. Il en découle un découpage hiérarchique des différentes tâches à réaliser afin d'analyser un énoncé. Les systèmes classiques du TAL reposent sur des analyseurs indépendants disposés en cascade au sein de chaînes de traitement (pipelines). Cette approche présente un certain nombre de limitations : la dépendance des modèles à la sélection empirique des traits, le cumul des erreurs dans le pipeline et la sensibilité au changement de domaine. Ces limitations peuvent conduire à des pertes de performances particulièrement importantes lorsqu'il existe un décalage entre les conditions d'apprentissage des modèles et celles d'utilisation. Un tel décalage existe lors de l'analyse de transcriptions automatiques de parole spontanée comme par exemple les conversations téléphoniques enregistrées dans des centres d'appels. En effet l'analyse d'une langue non-canonique pour laquelle il existe peu de données d'apprentissage, la présence de disfluences et de constructions syntaxiques spécifiques à l'oral ainsi que la présence d'erreurs de reconnaissance dans les transcriptions automatiques mènent à une détérioration importante des performances des systèmes d'analyse. C'est dans ce cadre que se déroule cette thèse, en visant à mettre au point des systèmes d'analyse à la fois robustes et flexibles permettant de dépasser les limitations des systèmes actuels à l'aide de modèles issus de l'apprentissage par réseaux de neurones profonds. / NLP researchers has identified different levels of linguistic analysis. This lead to a hierarchical division of the various tasks performed in order to analyze a text statement. The traditional approach considers task-specific models which are subsequently arranged in cascade within processing chains (pipelines). This approach has a number of limitations: the empirical selection of models features, the errors accumulation in the pipeline and the lack of robusteness to domain changes. These limitations lead to particularly high performance losses in the case of non-canonical language with limited data available such as transcriptions of conversations over phone. Disfluencies and speech-specific syntactic schemes, as well as transcription errors in automatic speech recognition systems, lead to a significant drop of performances. It is therefore necessary to develop robust and flexible systems. We intend to perform a syntactic and semantic analysis using a deep neural network multitask model while taking into account the variations of domain and/or language registers within the data.

No description available.

Nous évaluons des méthodes de traitement automatique du langage naturel (TALN) pour la détection d’idées suicidaires, de la dépression et de l’anxiété à partir de publications sur les médias sociaux. Comme les ensembles de données relatifs à la santé mentale sont rares et généralement de petite taille, les méthodes classiques d’apprentissage automatique ont traditionnellement été utilisées dans ce domaine. Nous évaluons l’effet de l’apprentissage multi-tâche sur la détection d’idées suicidaires en utilisant comme tâches auxiliaires des ensembles de données disponibles publiquement pour la détection de la dépression et de l’anxiété, ainsi que la classification d’émotions et du stress. Nous constatons une hausse de la performance de classification pour les tâches de détection d’idées suicidaires, de la dépression et de l’anxiété lorsqu’elles sont entraînées ensemble en raison de similitudes entre les troubles de santé mentale à l’étude. Nous observons que l’utilisation d’ensembles de données publiquement accessibles pour des tâches connexes peut bénéficier à la détection de problèmes de santé mentale. Nous évaluons enfin la performance des modèles ChatGPT et GPT-4 dans des scénarios d’apprentissage zero-shot et few-shot. GPT-4 surpasse toutes les autres méthodes testées pour la détection d’idées suicidaires. De plus, nous observons que ChatGPT bénéficie davantage de l’apprentissage few-shot, car le modèle fournit un haut taux de réponses non concluantes si aucun exemple n’est présenté. Enfin, une analyse des faux négatifs produits par GPT-4 pour la détection d’idées suicidaires conclut qu’ils sont dus à des erreurs d’étiquetage plutôt qu’à des lacunes du modèle. / In this work we explore natural language processing (NLP) methods to suicide ideation, depression, and anxiety detection in social media posts. Since annotated mental health data is scarce and difficult to come by, classical machine learning methods have traditionally been employed on this type of task due to the small size of the datasets. We evaluate the effect of multi-task learning on suicide ideation detection using publicly-available datasets for depression, anxiety, emotion and stress classification as auxiliary tasks. We find that classification performance of suicide ideation, depression, and anxiety is improved when trained together because of the proximity between the mental disorders. We observe that publicly-available datasets for closely-related tasks can benefit the detection of certain mental health conditions. We then perform classification experiments using ChatGPT and GPT-4 using zero-shot and few-shot learning, and find that GPT-4 obtains the best performance of all methods tested for suicide ideation detection. We further observe that ChatGPT benefits the most from few-shot learning as it struggles to give conclusive answers when no examples are provided. Finally, an analysis of false negative results for suicide ideation output by GPT-4 concludes that they are due to labeling errors rather than mistakes from the model.

L’apprentissage adaptatif distribué sur les réseaux permet à un ensemble d’agents de résoudre des problèmes d’estimation de paramètres en ligne en se basant sur des calculs locaux et sur des échanges locaux avec les voisins immédiats. La littérature sur l’estimation distribuée considère essentiellement les problèmes à simple tâche, où les agents disposant de fonctions objectives séparables doivent converger vers un vecteur de paramètres commun. Cependant, dans de nombreuses applications nécessitant des modèles plus complexes et des algorithmes plus flexibles, les agents ont besoin d’estimer et de suivre plusieurs vecteurs de paramètres simultanément. Nous appelons ce type de réseau, où les agents doivent estimer plusieurs vecteurs de paramètres, réseau multitâche. Bien que les agents puissent avoir différentes tâches à résoudre, ils peuvent capitaliser sur le transfert inductif entre eux afin d’améliorer les performances de leurs estimés. Le but de cette thèse est de proposer et d’étudier de nouveaux algorithmes d’estimation distribuée sur les réseaux multitâches. Dans un premier temps, nous présentons l’algorithme diffusion LMS qui est une stratégie efficace pour résoudre les problèmes d’estimation à simple-tâche et nous étudions théoriquement ses performances lorsqu’il est mis en oeuvre dans un environnement multitâche et que les communications entre les noeuds sont bruitées. Ensuite, nous présentons une stratégie de clustering non-supervisé permettant de regrouper les noeuds réalisant une même tâche en clusters, et de restreindre les échanges d’information aux seuls noeuds d’un même cluster / Distributed adaptive learning allows a collection of interconnected agents to perform parameterestimation tasks from streaming data by relying solely on local computations and interactions with immediate neighbors. Most prior literature on distributed inference is concerned with single-task problems, where agents with separable objective functions need to agree on a common parameter vector. However, many network applications require more complex models and flexible algorithms than single-task implementations since their agents involve the need to estimate and track multiple objectives simultaneously. Networks of this kind, where agents need to infer multiple parameter vectors, are referred to as multitask networks. Although agents may generally have distinct though related tasks to perform, they may still be able to capitalize on inductive transfer between them to improve their estimation accuracy. This thesis is intended to bring forth advances on distributed inference over multitask networks. First, we present the well-known diffusion LMS strategies to solve single-task estimation problems and we assess their performance when they are run in multitask environments in the presence of noisy communication links. An improved strategy allowing the agents to adapt their cooperation to neighbors sharing the same objective is presented in order to attain improved learningand estimation over networks. Next, we consider the multitask diffusion LMS strategy which has been proposed to solve multitask estimation problems where the network is decomposed into clusters of agents seeking different

Human pose estimation (HPE) constitutes a fundamental problem within the domain of computer vision, finding applications in diverse fields like motion analysis and human-computer interaction. This paper introduces innovative methodologies aimed at enhancing the accuracy and robustness of 3D joint estimation. Through the integration of Variational Autoencoders (VAEs), pertinent information is extracted from depth maps, even in the presence of inevitable image-capturing inconsistencies. This concept is enhanced through the introduction of noise to the body or specific regions surrounding key joints. The deliberate introduction of noise to these areas enables the VAE to acquire a robust representation that captures authentic pose-related patterns. Moreover, the introduction of a localised mask as a constraint in the loss function ensures the model predominantly relies on pose-related cues while disregarding potential confounding factors that may hinder the compact representation of accurate human pose information. Delving into the latent space modulation further, a novel model architecture is devised, joining a VAE and fully connected network into a multi-task joint training objective. In this framework, the VAE and regressor harmoniously influence the latent representations for accurate joint detection and localisation. By combining the multi-task model with the loss function constraint, this study attains results that compete with state-of-the-art techniques. These findings underscore the significance of leveraging latent space modulation and customised loss functions to address challenging human poses. Additionally, these novel methodologies pave the way for future explorations and provide prospects for advancing HPE. Subsequent research endeavours may optimising these techniques, evaluating their performance across diverse datasets, and exploring potential extensions to unravel further insights and advancements in the field. / Human pose estimation (HPE) är ett grundläggande problem inom datorseende och används inom områden som rörelseanalys och människa-datorinteraktion. I detta arbete introduceras innovativa metoder som syftar till att förbättra noggrannheten och robustheten i 3D-leduppskattning. Genom att integrera variationsautokodare (eng. variational autoencoder, VAE) extraheras relevant information från djupkartor, trots närvaro av inkonsekventa avvikelser i bilden. Dessa avvikelser förstärks genom att applicera brus på kroppen eller på specifika regioner som omger viktiga leder. Det avsiktliga införandet av brus i dessa områden gör det möjligt för VAE att lära sig en robust representation som fångar autentiska poseringsrelaterade mönster. Dessutom införs en lokaliserad mask som en begränsning i förlustfunktionen, vilket säkerställer att modellen främst förlitar sig på poseringsrelaterade signaler samtidigt som potentiella störande faktorer som hindrar den kompakta representationen av korrekt mänsklig poseringsinformation bortses ifrån. Genom att fördjupa sig ytterligare i den latenta rumsmoduleringen har en ny modellarkitektur tagits fram som förenar en VAE och ett fullständigt anslutet nätverk i en fleruppgiftsmodell. I detta ramverk påverkar VAE och det fullständigt ansluta nätverket de latenta representationerna på ett harmoniskt sätt för att uppnå korrekt leddetektering och lokalisering. Genom att kombinera fleruppgiftsmodellen med förlustfunktionsbegränsningen uppnår denna studie resultat som konkurrerar med toppmoderna tekniker. Dessa resultat understryker betydelsen av att utnyttja latent rymdmodulering och anpassade förlustfunktioner för att hantera utmanande mänskliga poser. Dessutom banar dessa nya metoder väg för framtida utveckling inom uppskattning av HPE. Efterföljande forskningsinsatser kan optimera dessa tekniker, utvärdera deras prestanda över olika datamängder och utforska potentiella tillägg för att avslöja ytterligare insikter och framsteg inom området.

[ES] El triaje de los incidentes de urgencias y emergencias extrahospitalarias representa un reto difícil, debido a las limitaciones temporales y a la incertidumbre. Además, errores en este proceso pueden tener graves consecuencias para los pacientes. Por lo tanto, cualquier herramienta o estrategia novedosa que mejore estos procesos ofrece un valor sustancial en términos de atención al paciente y gestión global de los incidentes. La hipótesis en la que se basa esta tesis es que el Aprendizaje Automático, concretamente el Aprendizaje Profundo, puede mejorar estos procesos proporcionando estimaciones de la gravedad de los incidentes, mediante el análisis de millones de datos derivados de llamadas de emergencia de la Comunitat Valenciana (España) que abarcan desde 2009 hasta 2019. Por tanto, esta tesis profundiza en el diseño y desarrollo de modelos basados en Aprendizaje Profundo Multitarea que aprovechan los datos multimodales asociados a eventos de urgencias y emergencias extrahospitalarias. Nuestro objetivo principal era predecir si el incidente suponía una situación de riesgo vital, la demora admisible de la respuesta y si era competencia del sistema de emergencias o de atención primaria. Utilizando datos disponibles entre 2009 y 2012, se observaron mejoras sustanciales en las métricas macro F1, con ganancias del 12.5% para la clasificación de riesgo vital, del 17.5% para la demora en la respuesta y del 5.1% para la clasificación por jurisdicción, en comparación con el protocolo interno de triaje de la Comunidad Valenciana. Sin embargo, los sistemas, los protocolos de triaje y las prácticas operativas evolucionan de forma natural con el tiempo. Los modelos que mostraron un rendimiento excelente con el conjunto de datos inicial de 2009 a 2012 no demostraron la misma eficacia cuando se evaluaron con datos posteriores que abarcaban de 2014 a 2019. Estos últimos habían sufrido modificaciones en comparación con los anteriores, que dieron lugar a variaciones en las distribuciones de probabilidad, caracterizadas e investigadas meticulosamente en esta tesis. Continuando con nuestra investigación, nos centramos en la incorporación de técnicas de Aprendizaje Continuo Profundo en nuestros desarrollos. Gracias a ello, pudimos mitigar sustancialmente los efectos adversos consecuencia de los cambios distribucionales sobre el rendimiento. Los resultados indican que, si bien las fluctuaciones de rendimiento no se eliminan por completo, pueden mantenerse dentro de un rango manejable. En particular, con respecto a la métrica F1, cuando las variaciones distribucionales son ligeras o moderadas, el comportamiento se mantiene estable, sin variar más de un 2.5%. Además, nuestra tesis demuestra la viabilidad de construir herramientas auxiliares que permitan a los operadores interactuar con estos complejos modelos. En consecuencia, sin interrumpir el flujo de trabajo de los profesionales, se hace posible proporcionar retroalimentación mediante predicciones de probabilidad para cada clase de etiqueta de gravedad y tomar las medidas pertinentes. Por último, los resultados de esta tesis tienen implicaciones directas en la gestión de las urgencias y emergencias extrahospitalarias en la Comunidad Valenciana, al integrarse el modelo final resultante en los centros de atención de llamadas. Este modelo utilizará los datos proporcionados por los operadores telefónicos para calcular automáticamente las predicciones de gravedad, que luego se compararán con las generadas por el protocolo de triaje interno. Cualquier disparidad entre estas predicciones desencadenará la derivación del incidente a un coordinador médico, que supervisará su tratamiento. Por lo tanto, nuestra tesis, además de realizar importantes contribuciones al campo de la Investigación en Aprendizaje Automático Biomédico, también conlleva implicaciones sustanciales para mejorar la gestión de las urgencias y emergencias extrahospitalarias en el contexto de la Comunidad Valenciana. / [CA] El triatge dels incidents d'urgències i emergències extrahospitalàries representa un repte difícil, a causa de les limitacions temporals i de la incertesa. A més, els errors en aquest procés poden tindre greus conseqüències per als pacients. Per tant, qualsevol eina o estratègia innovadora que millore aquests processos ofereix un valor substancial en termes d'atenció al pacient i gestió global dels incidents. La hipòtesi en què es basa aquesta tesi és que l'Aprenentatge Automàtic, concretament l'Aprenentatge Profund, pot millorar significativament aquests processos proporcionant estimacions de la gravetat dels incidents, mitjançant l'anàlisi de milions de dades derivades de trucades d'emergència de la Comunitat Valenciana (Espanya) que abasten des de 2009 fins a 2019. Per tant, aquesta tesi aprofundeix en el disseny i desenvolupament de models basats en Aprenentatge Profund Multitasca que aprofiten dades multimodals d'incidents mèdics d'urgències i emergències extrahospitalàries. El nostre objectiu principal era predir si l'incident suposava una situació de risc vital, la demora admissible de la resposta i si era competència del sistema d'emergències o d'atenció primària. Utilitzant dades disponibles entre 2009 i 2012, es van observar millores substancials en les mètriques macro F1, amb guanys del 12.5% per a la classificació de risc vital, del 17.5% per a la demora en la resposta i del 5.1% per a la classificació per jurisdicció, en comparació amb el protocol intern de triatge de la Comunitat Valenciana. Tanmateix, els protocols de triatge i les pràctiques operatives evolucionen de forma natural amb el temps. Els models que van mostrar un rendiment excel·lent amb el conjunt de dades inicial de 2009 a 2012 no van demostrar la mateixa eficàcia quan es van avaluar amb dades posteriors que abastaven de 2014 a 2019. Aquestes últimes havien sofert modificacions en comparació amb les anteriors, que van donar lloc a variacions en les distribucions de probabilitat, caracteritzades i investigades minuciosament en aquesta tesi. Continuant amb la nostra investigació, ens vam centrar en la incorporació de tècniques d'Aprenentatge Continu als nostres desenvolupaments. Gràcies a això, vam poder mitigar substancialment els efectes adversos sobre el rendiment conseqüència dels canvis distribucionals. Els resultats indiquen que, si bé les fluctuacions de rendiment no s'eliminen completament al llarg del temps, poden mantenir-se dins d'un rang manejable. En particular, respecte a la mètrica F1, quan les variacions distribucionals són lleugeres o moderades, el comportament es manté estable, sense variar més d'un 2.5%. A més, la nostra tesi demostra la viabilitat de construir eines auxiliars que permeten als operadors interactuar amb aquests models complexos. En conseqüència, sense interrompre el flux de treball dels professionals, es fa possible proporcionar retroalimentació mitjançant prediccions de probabilitat per a cada classe d'etiqueta de gravetat i prendre les mesures pertinents. Finalment, els resultats d'aquesta tesi tenen implicacions directes en la gestió de les urgències i emergències extrahospitalàries a la Comunitat Valenciana, al integrar-se el model final resultant als centres d'atenció de telefonades. Aquest model utilitzarà les dades proporcionades pels operadors telefònics per calcular automàticament les prediccions de gravetat, que després es compararan amb les generades pel protocol de triatge intern. Qualsevol disparitat entre aquestes prediccions desencadenarà la derivació de l'incident a un coordinador mèdic, que supervisarà el seu tractament. Per tant, és evident que la nostra tesi, a més de realitzar importants contribucions al camp de la Investigació en Aprenentatge Automàtic Biomèdic, també comporta implicacions substancials per a millorar la gestió de les urgències i emergències extrahospitalàries en el context de la Comunitat Valenciana. / [EN] Triage for out-of-hospital emergency incidents represents a tough challenge, primarily due to time constraints and uncertainty. Furthermore, errors in this process can have severe consequences for patients. Therefore, any novel tool or strategy that enhances these processes can offer substantial value in terms of patient care and overall management of out-of-hospital emergency medical incidents. The hypothesis upon which this thesis is based is that Machine Learning, specifically Deep Learning, can improve these processes by providing estimations of the severity of incidents, by analyzing millions of data derived from emergency calls from the Valencian Region (Spain) spanning from 2009 to 2019. Hence, this thesis delves into designing and developing Deep Multitask Learning models that leverage multimodal out-of-hospital emergency medical data. Our primary objective was to predict whether the incident posed a life-threatening situation, the admissible response delay, and whether it fell under the jurisdiction of the emergency system or primary care. Using data available from 2009 to 2012, the results obtained were promising. We observed substantial improvements in macro F1-scores, with gains of 12.5% for life-threatening classification, 17.5% for response delay, and 5.1% for jurisdiction classification, compared to the in-house triage protocol of the Valencian Region. However, systems, dispatch protocols, and operational practices naturally evolve over time. Models that exhibited excellent performance with the initial dataset from 2009 to 2012 did not demonstrate the same efficacy when evaluated on data spanning from 2014 to 2019. This later dataset had undergone modifications compared to the earlier one, which led to dataset shifts, which we have meticulously characterized and investigated in this thesis. Continuing our research, we incorporated Deep Continual Learning techniques in our developments. As a result, we could substantially mitigate the adverse performance effects consequence of dataset shifts. The results indicate that, while performance fluctuations are not completely eliminated, they can be kept within a manageable range. In particular, with respect to the F1-score, when distributional variations fall within the light to moderate range, the performance remains stable, not varying by more than 2.5%. Furthermore, our thesis demonstrates the feasibility of building auxiliary tools that enable dispatchers to interact with these complex deep models. Consequently, without disrupting professionals' workflow, it becomes possible to provide feedback through probability predictions for each severity label class and take appropriate actions based on these predictions. Finally, the outcomes of this thesis hold direct implications for the management of out-of-hospital emergency medical incidents in the Valencian Region. The final model resulting from our research is slated for integration into the emergency medical dispatch centers of the Valencian Region. This model will utilize data provided by dispatchers to automatically compute severity predictions, which will then be compared with those generated by the in-house triage protocol. Any disparities between these predictions will trigger the referral of the incident to a physician coordinator, who will oversee its handling. Therefore, it is evident that our thesis, in addition to making significant contributions to the field of Biomedical Machine Learning Research, also carries substantial implications for enhancing the management of out-of-hospital emergencies in the context of the Valencian Region. / Ferri Borredà, P. (2024). Deep Continual Multimodal Multitask Models for Out-of-Hospital Emergency Medical Call Incidents Triage Support in the Presence of Dataset Shifts [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203192