Aplicación de técnicas de Deep Learning para el reconocimiento de páginas Web y emociones facialesUn estudio comparativo y experimental

Resumen

El progreso de la Inteligencia Artificial (IA) ha sido notable en los últimos años. Los impresionantes avances en imitar las capacidades humanas por parte de las máquinas se deben especialmente al campo del Deep Learning (DL). Este paradigma evita el complejo diseño manual de características. En su lugar, los datos pasan directamente a un algoritmo, que aprende a extraer y representar características jerárquicamente en múltiples capas a medida que aprende a resolver una tarea. Esto ha demostrado ser ideal para problemas relacionados con el mundo visual. Una solución de DL comprende datos y un modelo. La mayor parte de la investigación actual se centra en los modelos, en busca de mejores algoritmos. Sin embargo, aunque se prueben diferentes arquitecturas y configuraciones, difícilmente mejorará el rendimiento si los datos no son de buena calidad. Son escasos los estudios que se centran en mejorar los datos, pese a que constituyen el principal recurso para el aprendizaje automático. La recolección y el etiquetado de extensos datasets de imágenes consumen mucho tiempo, esfuerzo e introducen errores. La mala clasificación, la presencia de imágenes irrelevantes, el desequilibrio de las clases y la falta de representatividad del mundo real son problemas ampliamente conocidos que afectan el rendimiento de los modelos en escenarios prácticos. Nuestra propuesta enfrenta estos problemas a través de un enfoque data-centric. A través de la ingeniería del dataset original utilizando técnicas de DL, lo hacemos más adecuado para entrenar un modelo con mejor rendimiento y generalización en escenarios reales. Para demostrar esta hipótesis, consideramos dos casos prácticos que se han convertido en temas de creciente interés para la investigación. Por una parte, Internet es la plataforma mundial de comunicación y la Web es la principal fuente de información para las actividades humanas. Las páginas Web crecen a cada segundo y son cada vez más sofisticadas. Para organizar este complejo y vasto contenido, la clasificación es la técnica básica. El aspecto visual de una página Web puede ser una alternativa al análisis textual del código para distinguir entre categorías. Abordamos el reconocimiento y la clasificación de páginas Web creando un dataset de capturas de pantalla apropiado desde cero. Por otro lado, aunque los avances de la IA son significativos en el aspecto cognitivo, la parte emocional de las personas es un desafío. La expresión facial es la mejor evidencia para manifestar y transmitir nuestras emociones. Aunque algunos datasets de imágenes faciales existen para entrenar modelos de DL, no ha sido posible alcanzar el alto rendimiento en entornos controlados utilizando datasets in-the-lab. Abordamos el reconocimiento y la clasificación de emociones humanas mediante la combinación de varios datasets in-the wild de imágenes faciales. Estas dos problemáticas plantean situaciones distintas y requieren de imágenes con contenido muy diferente, por lo que hemos diseñado un método de refinamiento del dataset según el caso de estudio. En el primer caso, implementamos un modelo de DL para clasificar páginas Web en determinadas categorías utilizando únicamente capturas de pantalla, donde los resultados demostraron un problema multiclase muy difícil. Tratamos el mismo problema con la estrategia One vs. Rest y mejoramos el dataset mediante reclasificación, detección de imágenes irrelevantes, equilibrio y representatividad, además de utilizar técnicas de regularización y un nuevo mecanismo de predicción con los clasificadores binarios. Estos clasificadores operando por separado mejoran el rendimiento, en promedio incrementan un 26.29% la precisión de validación y disminuyen un 42.30% el sobreajuste, mostrando importantes mejoras respecto al clasificador múltiple que opera con todas las categorías juntas. Utilizando el nuevo modelo, hemos desarrollado un sistema en línea para clasificar páginas Web que puede ayudar a diseñadores, propietarios de sitios Web, Webmasters y usuarios en general. En el segundo caso, la estrategia consiste en refinar progresivamente el dataset de imágenes faciales mediante varios entrenamientos sucesivos de un modelo de red convolucional. En cada entrenamiento, se utilizan las imágenes faciales correspondientes a las predicciones correctas del entrenamiento anterior, lo que permite al modelo captar más características distintivas de cada clase de emoción. Tras el último entrenamiento, el modelo realiza una reclasificación automática de todo el dataset. Este proceso también nos permite detectar las imágenes irrelevantes, pero nuestro propósito es mejorar el dataset sin modificar, borrar o aumentar las imágenes, a diferencia de otros trabajos similares. Los resultados experimentales en tres datasets representativos demostraron la eficacia del método propuesto, mejorando la precisión de validación en un 20.45%, 14.47% y 39.66%, para FER2013, NHFI y AffectNet, respectivamente. Las tasas de reconocimiento en las versiones reclasificadas de estos datasets son del 86.71%, el 70.44% y el 89.17%, que alcanzan el estado del arte. Combinamos estas versiones mejor clasificadas para aumentar el número de imágenes y enriquecer la diversidad de personas, gestos y atributos de resolución, color, fondo, iluminación y formato de imagen. El dataset resultante se utiliza para entrenar un modelo más general. Frente a la necesidad de métricas más realistas de la generalización de los modelos, creamos un dataset evaluador combinado, equilibrado, imparcial y bien etiquetado. Para tal fin, organizamos este dataset en categorías de género, edad y etnia. Utilizando un predictor de estas características representativas de la población, podemos seleccionar el mismo número de imágenes y mediante el exitoso modelo Stable Diffusion es posible generar las imágenes faciales necesarias para equilibrar las categorías creadas a partir de las mencionadas características. Los experimentos single-dataset y cross-dataset indican que el modelo entrenado en el dataset combinado mejora la generalización de los modelos entrenados individualmente en FER2013, NHFI y AffectNet en un 13.93%, 24.17% y 7.45%, respectivamente. Desarrollamos un sistema en línea de reconocimiento de emociones que aprovecha el modelo más genérico obtenido del dataset combinado. Por último, la buena calidad de las imágenes faciales sintéticas y la reducción de tiempo conseguida con el método generativo nos motivan para crear el primer y mayor dataset artificial de emociones categóricas. Este producto de libre acceso puede complementar los datasets reales, que son difíciles de recopilar, etiquetar, equilibrar, controlar las características y proteger la identidad de las personas.