Large scale hierarchical text classification
Authors: Κοσμόπουλος Άρης 
Published: August 2021

Οι ιεραρχίες χρησιμοποιούνται όλο και πιο συχνά στην την οργάνωση κειμένων και η χρήση αυτή είναι ακόμη πιο συχνή στο διαδίκτυο. Οι κατάλογοι ιστοσελίδων, όπως το Yahoo Directory και το Dmoz Directory, είναι τέτοια τυπικά παραδείγματα. Μαζί με την συχνή χρήση τους όμως προκύπτει και η ανάγκη για αυτοματοποιημένους τρόπους ταξινόμησης των νέων κειμένων στις κατηγορίες των ιεραρχιών αυτών. Σε αυτή τη διατριβή, ονομάζουμε το πρόβλημα αυτό "μεγάλης κλίμακας Ιεραρχική κατηγοριοποίηση κειμένων". Είναι μεγάλης κλίμακας, γιατί οι κατηγορίες είναι χιλιάδες και τα κείμενα μπορεί να είναι από εκατοντάδες χιλιάδες μέχρι και εκατομμύρια. Είναι επίσης ιεραρχικό επειδή οι κατηγορίες συν΄δεονται μεταξύ τους με σχέσεις γονέα-πατέρα. Ένα σημαντικό θέμα στην ιεραρχική κατηγοριοποίηση είναι η αξιολόγηση διαφορετικών αλγορίθμων κατηγοριοποίησης, που είναι ακόμη πιο έντονο λόγο της ύπαρξης της ιεραρχίας. Διάφορα ιεραρχικά μέτρα έχουν προταθεί στο παρελθόν, αλλά χωρίς να προσφέρουν ένα ενοποιημένο τρόπο εποπτείας του προβλήματος. Σε αυτή τη διατριβή, μελετούμε το πρόβλημα της αξιολόγησης στην ιεραρχική κατηγοριοποίηση, αναλύοντας τα βασικά στοιχεία των υπαρχόντων ιεραρχικών μέτρων. Επίσης διαχωρίζουμε τα υπάρχοντα ιεραρχικά μέτρα σε δυο εναλλακτικά γενικά μοντέλα και προτείνουμε δυο καινοτόμα μέτρα για κάθε μοντέλο. Τα υπάρχοντα και τα προτεινόμενα μέτρα δοκιμάζονται σε τρία μεγάλα σύνολα δεδομένων κατηγοριοποίησης κειμένων. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων δείχνουν τους περιορισμούς των υπαρχόντων μέτρων και το πως τα νέα προτεινόμενα μέτρα ξεπερνούν αυτούς τους περιορισμούς. Στη συνέχεια επικεντρωνόμαστε στην απλούστερη μορφή ιεραρχικής κατηγοριοποίησης όπου κάθε κείμενο ανήκει σε μόνο μία κατηγορία και η ιεραρχία έχει μορφή δένδρου. Η πιο συνηθισμένη μορφή ιεραρχικής κατηγοριοποίησης είναι αυτή του Cascade, στην οποία διατρέχεται η ιεραρχία από τη ρίζα του δένδρου ως το προτεινόμενο φύλλο. Για να πραγματοποιηθεί αυτή η διαδικασία, πρέπει να εκπαιδευτεί ένας ταξινομητής σε κάθε κόμβο του δένδρου, αλλά στα πιο ψηλά επίπεδα ο αριθμός των χαρακτηριστικών μπορεί να γίνει απαγορευτικά υψηλός. Για αυτό και είναι επιθυμητή η μείωση της διαστασιμότητας του χώρου των χαρακτηριστικών σε αυτά τα επίπεδα. Δεδομένου ότι η πιο ευρέος διαδεδομένη μέθοδος μείωσης χαρακτηριστικών είναι το Principal Component Analysis (PCA), εξετάζουμε τη χρήση του στο Cascade μελετώντας την επίδραση του στο υπολογιστικό κόστος αλλά και την ακρίβεια των ταξινομικών. Επίσης προτείνουμε έναν εναλλακτικό τρόπο πιθανοτικού Cascade ο οποίος κάνοντας καλύτερη χρήση των πιθανοτήτων των ταξινομητών επιτυγχάνει καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με το παραδοσιακό Cascade. Τέλος, εξετάζουμε ένα πιο πολύπλοκο πρόβλημα, γνωστό ως βιοϊατρική σημασιολογική ταξινόμηση όπου βιοϊατρικά κείμενα πρέπει να ταξινομηθούν σε κατηγορίες που ανήκουν σε μια μεγάλη βιοϊατρική ιεραρχία. Το πρόβλημα αυτό είναι πιο πολύπλοκο διότι η ιεραρχία είναι κατευθυνόμενος γράφος και όχι απλά δένδρο, ενώ κάθε κείμενο μπορεί να ανήκει σε πολλές κατηγορίες η οποίες μάλιστα μπορεί να μην είναι απαραίτητα φύλλα του γράφου. Σε αυτό το πρόβλημα, εξετάζουμε της χρήση πυκνών διανυσμάτων λέξεων (word embeddings) ως ένα τρόπο για μείωση της διαστασημότητας των χαρακτηριστικών. Εξετάζουμε διάφορες προσεγγίσεις για να περάσουμε από τα διανύσματα λέξεων σε διανύσματα κειμένων και προτείνουμε μια απλή διαδικασία με χρήση κεντροειδούς η οποία είναι κατάλληλη για το πρόβλημα. Επίσης δείχνουμε πως η υιοθέτηση αυτής της προσέγγισης κάνει το πρόβλημα της μεγάλης κλίμακας ιεραρχικής κατηγοριοποίησης πολύ πιο κλιμακώσιμο, χωρίς να υστερεί σε ακρίβεια σε σχέση με τη συνηθισμένη προσέγγιση bag-of-words. Στα πειράματά μας εξετάζουμε τη χρήση ιεραρχικών και μη ιεραρχικών ταξινομητών κ-κοντινότερων-γειτόνων και μελετάμε την επίδραση των διαφόρων παραμέτρων τους. Επίσης παρουσιάζουμε ένα υψηλής ακρίβειας σύστημα που συνδυάζεται με το ευρέος χρησιμοποιημένο Medical Text Indexer (MTI) σύστημα της Εθνικής Βιβλιοθήκης της Ιατρικής με στόχο τη βελτίωση των προβλέψεών του.