Data Augmentation in High Dimensional Low Sample Size Setting Using a Geometry-Based Variational Autoencoder

自编码 人工智能 模式识别(心理学) 稳健性(进化) 计算机科学 卷积神经网络 分类器(UML) 人工神经网络 公制(单位) 机器学习 运营管理 生物化学 基因 经济 化学
作者
Clément Chadebec,Elina Thibeau‐Sutre,Ninon Burgos,Stéphanie Allassonnière
出处
期刊:IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence [IEEE Computer Society]
卷期号:45 (3): 2879-2896 被引量:56
标识
DOI:10.1109/tpami.2022.3185773
摘要

In this paper, we propose a new method to perform data augmentation in a reliable way in the High Dimensional Low Sample Size (HDLSS) setting using a geometry-based variational autoencoder (VAE). Our approach combines the proposal of 1) a new VAE model, the latent space of which is modeled as a Riemannian manifold and which combines both Riemannian metric learning and normalizing flows and 2) a new generation scheme which produces more meaningful samples especially in the context of small data sets. The method is tested through a wide experimental study where its robustness to data sets, classifiers and training samples size is stressed. It is also validated on a medical imaging classification task on the challenging ADNI database where a small number of 3D brain magnetic resonance images (MRIs) are considered and augmented using the proposed VAE framework. In each case, the proposed method allows for a significant and reliable gain in the classification metrics. For instance, balanced accuracy jumps from 66.3% to 74.3% for a state-of-the-art convolutional neural network classifier trained with 50 MRIs of cognitively normal (CN) and 50 Alzheimer disease (AD) patients and from 77.7% to 86.3% when trained with 243 CN and 210 AD while improving greatly sensitivity and specificity metrics.
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