Littérature scientifique sur le sujet « Apprentissage profond supervisé »

En raison du grand impact de l’apprentissage profond sur divers domaines de l’apprentissage automatique, leurs capacités à améliorer les approches de clustering ont récemment été étudiées. Dans un premier temps, des approches d’apprentissage profond (principalement des autoencodeurs) ont été utilisées pour réduire la dimensionnalité de l’espace d’origine et pour supprimer les éventuels bruits (également pour apprendre de nouvelles représentations de données). De telles approches de clustering qui utilisent des approches d’apprentissage en profondeur sont appelées deep clustering. Cette thèse se concentre sur le développement de modèles de deep clustering qui peuvent être utilisés pour différents types de données (par exemple, des images, du texte). Tout d’abord, nous proposons un algorithme DKM (Deep k-means) dans lequel l’apprentissage des représentations de données (via un autoencodeur profond) et des représentants de cluster (via k-means) est effectué de manière conjointe. Les résultats de notre approche DKM indiquent que ce modèle est capable de surpasser des algorithmes similaires en Deep Clustering. En effet, notre cadre proposé est capable de propager de manière lisse l’erreur de la fonction de coût à travers toutes les variables apprenables.De plus, nous proposons deux modèles nommés SD2C et PCD2C qui sont capables d’intégrer respectivement des mots d’amorçage et des contraintes par paires dans des approches de Deep Clustering de bout en bout. En utilisant de telles approches, les utilisateurs peuvent observer le reflet de leurs besoins en clustering. Enfin, les résultats obtenus à partir de ces modèles indiquent leur capacité à obtenir des résultats plus adaptés
Due to the great impact of deep learning on variety fields of machine learning, recently their abilities to improve clustering approaches have been investi- gated. At first, deep learning approaches (mostly Autoencoders) have been used to reduce the dimensionality of the original space and to remove possible noises (also to learn new data representations). Such clustering approaches that utilize deep learning approaches are called Deep Clustering. This thesis focuses on developing Deep Clustering models which can be used for different types of data (e.g., images, text). First we propose a Deep k-means (DKM) algorithm where learning data representations (through a deep Autoencoder) and cluster representatives (through the k-means) are performed in a joint way. The results of our DKM approach indicate that this framework is able to outperform similar algorithms in Deep Clustering. Indeed, our proposed framework is able to truly and smoothly backpropagate the loss function error through all learnable variables.Moreover, we propose two frameworks named SD2C and PCD2C which are able to integrate respectively seed words and pairwise constraints into end-to-end Deep Clustering frameworks. In fact, by utilizing such frameworks, the users can observe the reflection of their needs in clustering. Finally, the results obtained from these frameworks indicate their ability to obtain more tailored results

L'analyse et le diagnostic précis à partir d'images dentaires sont un facteur essentiel de la réussite des traitements orthodontiques. De nombreux procédés de traitement d'image ont été proposés pour résoudre ce problème. Cependant, ces études fonctionnent principalement sur de petits ensembles de données de radiographies dans des conditions de laboratoire et ne sont pas vraiment applicables en tant que produits ou services complets. Dans cette thèse, nous construisons des modèles d'apprentissage profond pour diagnostiquer des problèmes dentaires tels que la gingivite et les dents chevauchées à l'aide de photos prises par de téléphones portables. Nous étudions les couches cachées de ces modèles pour trouver les forces et les limites de chaque méthode. Nous proposons un pipeline complet intégrant le prétraitement des images, l'apprentissage du modèle et le post-traitement des résultats pour créer un processus d'analyse complet prêt à être mis en production en situation réel. Afin d'améliorer la fiabilité des modèles, nous avons étudié différentes méthodes d'augmentation des données, en particulier les méthodes d'adaptation de domaine en utilisant des approche de transfert d'images, à la fois supervisée et non supervisée, et obtenons des résultats prometteurs. Les approches de transformation d'images sont également utilisés pour simplifier le choix des appareils orthodontiques par les patients en leur montrant à quoi pourraient ressembler leurs dents pendant le traitement. Nos méthodes permettent de générées des images réalistes et en haute définition. Nous proposons également un nouveau modèle de transformation d'image non supervisé qui peut manipuler les caractéristiques de l'image sans nécessiter d'annotation supplémentaire. Notre modèle surpasse les techniques de pointe sur plusieurs applications de transformation d'images et est également étendu pour les problèmes de « few-shot learning »
Accurate processing and diagnosis of dental images is an essential factor determining the success of orthodontic treatment. Many image processing methods have been proposed to address this problem. Those studies mainly work on small datasets of radiographs under laboratory conditions and are not highly applicable as complete products or services. In this thesis, we train deep learning models to diagnose dental problems such as gingivitis and crowded teeth using mobile phones' images. We study feature layers of these models to find the strengths and limitations of each method. Besides training deep learning models, we also embed each of them in a pipeline, including preprocessing and post-processing steps, to create a complete product. For the lack of training data problem, we studied a variety of methods for data augmentation, especially domain adaptation methods using image-to-image translation models, both supervised and unsupervised, and obtain promising results. Image translation networks are also used to simplifying patients' choice of orthodontic appliances by showing them how their teeth could look like during treatment. Generated images have are realistic and in high resolution. Researching further into unsupervised image translation neural networks, we propose an unsupervised imageto- image translation model which can manipulate features of objects in the image without requiring additional annotation. Our model outperforms state-of-the-art techniques on multiple image translation applications and is also extended for few-shot learning problems

La connaissance de la mobilité est un enjeu majeur pour les autorités organisatrices de mobilité et l'aménagement urbain. En raison du manque de définition formelle de la mobilité humaine, l'expression "mobilité des personnes" sera utilisée dans cette ouvrage. Ce sujet sera introduit par une description de l'écosystème en considérant ces acteurs et ces applications.La création d'un modèle d'apprentissage a des prérequis: la compréhension des typologies des ensembles de données disponibles, leurs forces et leurs faiblesses. Cet état de l'art de la connaissance de la mobilité passe par le modèle à quatre étapes qui existe et est utilisé depuis 1970 pour finir sur le renouvellement des méthodologies de ces dernières années.Nos modélisations de la mobilité des personnes sont ensuite présentées. Leur point commun est la mise en avant de l'individu contrairement aux approches classiques qui prennent comme référence la localité. Les modèles que nous proposons s'appuient sur le fait que la prise de décision des individus se fait selon leur perception de l'environnement.Cet ouvrage fini sur l'étude des méthodes d'apprentissage profond des machines de Boltzmann restreintes. Après un état de l'art de cette famille de modèles, nous recherchons des stratégies pour rendre ces modèles viables dans le monde applicatif. Ce dernier chapitre est notre contribution théorique principale, par l'amélioration de la robustesse et la performance de ces modèles
Knowledge of mobility is a major challenge for authorities mobility organisers and urban planning. Due to the lack of formal definition of human mobility, the term "people's mobility" will be used in this book. This topic will be introduced by a description of the ecosystem by considering these actors and applications.The creation of a learning model has prerequisites: an understanding of the typologies of the available data sets, their strengths and weaknesses. This state of the art in mobility knowledge is based on the four-step model that has existed and been used since 1970, ending with the renewal of the methodologies of recent years.Our models of people's mobility are then presented. Their common point is the emphasis on the individual, unlike traditional approaches that take the locality as a reference. The models we propose are based on the fact that the intake of individuals' decisions is based on their perception of the environment.This finished book on the study of the deep learning methods of Boltzmann machines restricted. After a state of the art of this family of models, we are looking for strategies to make these models viable in the application world. This last chapter is our contribution main theoretical, by improving robustness and performance of these models

La thèse aborde les défis du monitoring de l’environnement et de détection des anomalies, notamment des obstacles, pour un train de fret autonome. Bien que traditionnellement, les transports ferroviaires étaient sous la supervision humaine, les trains autonomes offrent des perspectives d’avantages en termes de coûts, de temps et de sécurité. Néanmoins, leur exploitation dans des environnements complexes pose d’importants enjeux de sûreté. Au lieu d’une approche supervisée nécessitant des données annotées onéreuses et limitées, cette recherche adopte une technique non supervisée, utilisant des données non étiquetées pour détecter les anomalies en s’appuyant sur des techniques capables d’identifier les comportements atypiques.Deux modèles de surveillance environnementale sont présentés : le premier, basé sur un autoencodeur convolutionnel (CAE), est dédié à l’identification d’obstacles sur la voie principale; le second, une version avancée incorporant le transformeur de vision (ViT), se concentre sur la surveillance générale de l’environnement. Tous deux exploitent des techniques d’apprentissage non supervisé pour la détection d’anomalies.Les résultats montrent que la méthode mise en avant apporte des éléments pertinents pour le monitoring de l’environnement du train de fret autonome, ayant un potentiel pour renforcer sa fiabilité et sécurité. L’utilisation de techniques non supervisées démontre ainsi l’utilité et la pertinence de leur adoption dans un contexte d’application pour le train autonome
The thesis addresses the challenges of monitoring the environment and detecting anomalies, especially obstacles, for an autonomous freight train. Although traditionally, rail transport was under human supervision, autonomous trains offer potential advantages in terms of costs, time, and safety. However, their operation in complex environments poses significant safety concerns. Instead of a supervised approach that requires costly and limited annotated data, this research adopts an unsupervised technique, using unlabeled data to detect anomalies based on methods capable of identifying atypical behaviors.Two environmental surveillance models are presented : the first, based on a convolutional autoencoder (CAE), is dedicated to identifying obstacles on the main track; the second, an advanced version incorporating the vision transformer (ViT), focuses on overall environmental surveillance. Both employ unsupervised learning techniques for anomaly detection.The results show that the highlighted method offers relevant insights for monitoring the environment of the autonomous freight train, holding potential to enhance its reliability and safety. The use of unsupervised techniques thus showcases the utility and relevance of their adoption in an application context for the autonomous train

Titre de l'écran-titre (visionné le 9 juillet 2020)
Thèse ou mémoire avec insertion d'articles
Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2020-2021
En biologie cellulaire, la microscopie optique est couramment utilisée pour visualiser et caractériser la présence et la morphologie des structures biologiques. Suite à l’acquisition, un expert devra effectuer l’annotation des structures pour quantification. Cette tâche est ardue, requiert de nombreuses heures de travail, parfois répétitif, qui peut résulter en erreurs d’annotations causées par la fatigue d’étiquetage. L’apprentissage machine promet l’automatisation de tâches complexes à partir d’un grand lot de données exemples annotés. Mon projet de maîtrise propose d’utiliser des techniques faiblement supervisées, où les annotations requises pour l’entraînement sont réduites et/ou moins précises, pour la segmentation de structures neuronales. J’ai d’abord testé l’utilisation de polygones délimitant la structure d’intérêt pour la tâche complexe de segmentation de la protéine neuronale F-actine dans des images de microscopie à super-résolution. La complexité de la tâche est supportée par la morphologie hétérogène des neurones, le nombre élevé d’instances à segmenter dans une image et la présence de nombreux distracteurs. Malgré ces difficultés, l’utilisation d’annotations faibles a permis de quantifier un changement novateur de la conformation de la protéine F-actine en fonction de l’activité neuronale. J’ai simplifié davantage la tâche d’annotation en requérant seulement des étiquettes binaires renseignant sur la présence des structures dans l’image réduisant d’un facteur 30 le temps d’annotation. De cette façon, l’algorithme est entraîné à prédire le contenu d’une image et extrait ensuite les caractéristiques sémantiques importantes pour la reconnaissance de la structure d’intérêt à l’aide de mécanismes d’attention. La précision de segmentation obtenue sur les images de F-actine est supérieure à celle des annotations polygonales et équivalente à celle des annotations précises d’un expert. Cette nouvelle approche devrait faciliter la quantification des changements dynamiques qui se produisent sous le microscope dans des cellules vivantes et réduire les erreurs causées par l’inattention ou le biais de sélection des régions d’intérêt dans les images de microscopie.
In cell biology, optical microscopy is commonly used to visualize and characterize the presenceand morphology of biological structures. Following the acquisition, an expert will have toannotate the structures for quantification. This is a difficult task, requiring many hours ofwork, sometimes repetitive, which can result in annotation errors caused by labelling fatigue.Machine learning promises to automate complex tasks from a large set of annotated sampledata. My master’s project consists of using weakly supervised techniques, where the anno-tations required for training are reduced and/or less precise, for the segmentation of neuralstructures.I first tested the use of polygons delimiting the structure of interest for the complex taskof segmentation of the neuronal protein F-actin in super-resolution microscopy images. Thecomplexity of the task is supported by the heterogeneous morphology of neurons, the highnumber of instances to segment in an image and the presence of many distractors. Despitethese difficulties, the use of weak annotations has made it possible to quantify an innovativechange in the conformation of the F-actin protein as a function of neuronal activity. I furthersimplified the annotation task by requiring only binary labels that indicate the presence ofstructures in the image, reducing annotation time by a factor of 30. In this way, the algorithmis trained to predict the content of an image and then extract the semantic characteristicsimportant for recognizing the structure of interest using attention mechanisms. The segmen-tation accuracy obtained on F-actin images is higher than that of polygonal annotations andequivalent to that of an expert’s precise annotations. This new approach should facilitate thequantification of dynamic changes that occur under the microscope in living cells and reduceerrors caused by inattention or bias in the selection of regions of interest in microscopy images.

Afin de pouvoir évoluer de manière autonome et sûre dans leur environnement, les robots doivent être capables d'en construire un modèle fiable et pertinent. Pour des tâches variées dans des environnements complexes, il est difficile de prévoir de manière exhaustive les capacités nécessaires au robot. Il est alors intéressant de doter les robots de mécanismes d'apprentissage leur donnant la possibilité de construire eux-mêmes des représentations adaptées à leur environnement. Se posent alors deux questions : quelle doit être la nature des représentations utilisées et par quels mécanismes peuvent-elles être apprises ? Nous proposons pour cela l'utilisation de l'hypothèse des sous-variétés afin de développer des architectures permettant de faire émerger une représentation symbolique de flux sensorimoteurs bruts. Nous montrons que le paradigme de l'apprentissage profond fournit des mécanismes appropriés à l'apprentissage autonome de telles représentations. Nous démontrons que l'exploitation de la nature multimodale des flux sensorimoteurs permet d'en obtenir une représentation symbolique pertinente. Dans un second temps, nous étudions le problème de l'évolution temporelle des stimuli. Nous discutons les défauts de la plupart des approches aujourd'hui utilisées et nous esquissons une approche à partir de laquelle nous approfondissons deux sous-problèmes. Dans une troisième partie, nous proposons des pistes de recherche pour permettre le passage des expériences de laboratoire à des environnements naturels. Nous explorons plus particulièrement la problématique de la curiosité artificielle dans des réseaux de neurones non supervisés
This thesis studies the use of deep neural networks to learn high level representations from raw inputs on robots, based on the "manifold hypothesis"

En tant que composant central des systèmes de vidéo-surveillance intelligents, la ré-identification de personnes (ReID) vise à rechercher une personne d'intérêt à travers des caméras qui ne se chevauchent pas. Malgré des améliorations significatives de la ReID supervisée, le processus d'annotation encombrant le rend moins évolutif dans les déploiements réels. De plus, comme les représentations d'apparence peuvent être affectées par des facteurs bruyants, tels que le niveau d'éclairage et les propriétés de la caméra, entre différents domaines, les modèles ReID de personnes subissent une baisse de performances importante en présence d'écarts de domaine. Nous sommes particulièrement intéressés par la conception d'algorithmes capables d'adapter un modèle ReID de personnes à un domaine cible sans supervision humaine. Dans un tel contexte, nous nous concentrons principalement sur la conception de méthodes d'adaptation de domaine non-supervisée et d'apprentissage de représentation non-supervisée pour le ReID de personnes.Dans cette thèse, nous explorons d'abord comment construire des représentations robustes en combinant à la fois des caractéristiques globales et locales sous la condition supervisée. Ensuite, vers un système ReID adaptatif au domaine non-supervisé, nous proposons trois méthodes non-supervisées pour la ReID de personnes, notamment 1) la distillation des connaissances enseignant-étudiant avec des structures de réseau asymétriques pour encourager la diversité des caractéristiques, 2) un cadre d'apprentissage conjoint génératif et contrastif qui génère des vues augmentées avec un réseau génératif pour l'apprentissage contrastif, et 3) explorer les relations inter-instances et concevoir des fonctions de perte conscientes des relations pour une meilleure ReID de personnes basée sur l'apprentissage contrastif.Nos méthodes ont été largement évaluées sur des benchmarks de ReID, tels que Market-1501, DukeMTMC-reID et MSMT17. Les méthodes proposées surpassent considérablement les méthodes précédentes sur les benchmarks de ReID, poussant considérablement la ReID de personnes vers des déploiements dans le monde réel
As a core component of intelligent video surveillance systems, person re-identification (ReID) targets at retrieving a person of interest across non-overlapping cameras. Despite significant improvements in supervised ReID, cumbersome annotation process makes it less scalable in real-world deployments. Moreover, as appearance representations can be affected by noisy factors, such as illumination level and camera properties, between different domains, person ReID models suffer a large performance drop in the presence of domain gaps. We are particularly interested in designing algorithms that can adapt a person ReID model to a target domain without human supervision. In such context, we mainly focus on designing unsupervised domain adaptation and unsupervised representation learning methods for person ReID.In this thesis, we first explore how to build robust representations by combining both global and local features under the supervised condition. Then, towards an unsupervised domain adaptive ReID system, we propose three unsupervised methods for person ReID, including 1) teacher-student knowledge distillation with asymmetric network structures for feature diversity encouragement, 2) joint generative and contrastive learning framework that generates augmented views with a generative adversarial network for contrastive learning, and 3) exploring inter-instance relations and designing relation-aware loss functions for better contrastive learning based person ReID.Our methods have been extensively evaluated on main-stream ReID datasets, such as Market-1501, DukeMTMC-reID and MSMT17. The proposed methods significantly outperform previous methods on the ReID datasets, significantly pushing person ReID to real-world deployments

Afin de pouvoir évoluer de manière autonome et sûre dans leur environnement, les robots doivent être capables d'en construire un modèle fiable et pertinent. Pour des tâches variées dans des environnements complexes, il est difficile de prévoir de manière exhaustive les capacités nécessaires au robot. Il est alors intéressant de doter les robots de mécanismes d'apprentissage leur donnant la possibilité de construire eux-mêmes des représentations adaptées à leur environnement. Se posent alors deux questions : quelle doit être la nature des représentations utilisées et par quels mécanismes peuvent-elles être apprises ? Nous proposons pour cela l'utilisation de l'hypothèse des sous-variétés afin de développer des architectures permettant de faire émerger une représentation symbolique de flux sensorimoteurs bruts. Nous montrons que le paradigme de l'apprentissage profond fournit des mécanismes appropriés à l'apprentissage autonome de telles représentations. Nous démontrons que l'exploitation de la nature multimodale des flux sensorimoteurs permet d'en obtenir une représentation symbolique pertinente. Dans un second temps, nous étudions le problème de l'évolution temporelle des stimuli. Nous discutons les défauts de la plupart des approches aujourd'hui utilisées et nous esquissons une approche à partir de laquelle nous approfondissons deux sous-problèmes. Dans une troisième partie, nous proposons des pistes de recherche pour permettre le passage des expériences de laboratoire à des environnements naturels. Nous explorons plus particulièrement la problématique de la curiosité artificielle dans des réseaux de neurones non supervisés
This thesis studies the use of deep neural networks to learn high level representations from raw inputs on robots, based on the "manifold hypothesis"

Les premières contributions de cette thèse (Chapter 2 et Chapitre 3) sont des modèles appelés Deforming Autoencoder (DAE) et Lifting Autoencoder (LAE), utilisés pour l'apprentissage non-supervisé de l'alignement 2-D dense d'images d'une classe donnée, et à partir de cela, pour apprendre un modèle tridimensionnel de l'objet. Ces modèles sont capable d'identifer des espaces canoniques pour représenter de différent caractéristiques de l'objet, à savoir, l'apparence des objets dans l'espace canonique, la déformation dense associée permettant de retrouver l'image réelle à partir de cette apparence, et pour le cas des visages humains, le modèle 3-D propre au visage de la personne considérée, son expression faciale, et l'angle de vue de la caméra. De plus, nous illustrons l'application de DAE à d'autres domaines, à savoir, l'alignement d'IRM de poumons et d'images satellites. Dans le Chapitre 4, nous nous concentrons sur une problématique lié au cancer du sang-diagnostique d'hyperlymphocytosis. Nous proposons un modèle convolutif pour encoder les images appartenant à un patient, suivi par la concaténation de l'information contenue dans toutes les images. Nos résultats montrent que les modèles proposés sont de performances comparables à celles des biologistes, et peuvent dont les aider dans l'élaboration de leur diagnostique
The first two contributions of this thesis (Chapter 2 and 3) are models for unsupervised 2D alignment and learning 3D object surfaces, called Deforming Autoencoders (DAE) and Lifting Autoencoders (LAE). These models are capable of identifying canonical space in order to represent different object properties, for example, appearance in a canonical space, deformation associated with this appearance that maps it to the image space, and for human faces, a 3D model for a face, its facial expression, and the angle of the camera. We further illustrate applications of models to other domains_ alignment of lung MRI images in medical image analysis, and alignment of satellite images for remote sensing imagery. In Chapter 4, we concentrate on a problem in medical image analysis_ diagnosis of lymphocytosis. We propose a convolutional network to encode images of blood smears obtained from a patient, followed by an aggregation operation to gather information from all images in order to represent them in one feature vector which is used to determine the diagnosis. Our results show that the performance of the proposed models is at-par with biologists and can therefore augment their diagnosis

Les images médicales jouent un rôle important dans le diagnostic et la prise en charge des cancers. Les oncologues analysent des images pour déterminer les différentes caractéristiques de la tumeur, pour proposer un traitement adapté et suivre l'évolution de la maladie. L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes efficaces de segmentation automatique des tumeurs cérébrales et des organes à risque dans le contexte de la radiothérapie, à partir des images de résonance magnétique (IRM). Premièrement, nous nous intéressons à la segmentation des tumeurs cérébrales en utilisant des réseaux neuronaux convolutifs entrainés sur des IRM segmentés par des experts. Nous proposons un modèle de segmentation ayant un grand champ récepteur 3D tout en étant efficace en termes de complexité de calcul, en combinant des réseaux neuronaux convolutifs 2D et 3D. Nous abordons aussi les problèmes liés à l'utilisation conjointe des différentes séquences IRM (T1, T2, FLAIR). Nous introduisons ensuite un modèle de segmentation qui est entrainé avec des images faiblement annotées en complément des images segmentées, souvent disponibles en quantités très limitées du fait de leur coût. Nous montrons que ce niveau mixte de supervision améliore considérablement la performance de segmentation quand le nombre d'images entièrement annotées est limité. Finalement, nous proposons une méthodologie pour segmenter, de manière cohérente anatomiquement, les organes à risque dans le contexte de la radiothérapie des tumeurs cérébrales. Les segmentations produites par notre système sur un ensemble d'IRM acquis dans le Centre Antoine Lacassagne (Nice) sont évaluées par un radiothérapeute expérimenté
Medical images play an important role in cancer diagnosis and treatment. Oncologists analyze images to determine the different characteristics of the cancer, to plan the therapy and to observe the evolution of the disease. The objective of this thesis is to propose efficient methods for automatic segmentation of brain tumors and organs at risk in the context of radiotherapy planning, using Magnetic Resonance (MR) images. First, we focus on segmentation of brain tumors using Convolutional Neural Networks (CNN) trained on MRIs manually segmented by experts. We propose a segmentation model having a large 3D receptive field while being efficient in terms of computational complexity, based on combination of 2D and 3D CNNs. We also address problems related to the joint use of several MRI sequences (T1, T2, FLAIR). Second, we introduce a segmentation model which is trained using weakly-annotated images in addition to fully-annotated images (with voxelwise labels), which are usually available in very limited quantities due to their cost. We show that this mixed level of supervision considerably improves the segmentation accuracy when the number of fully-annotated images is limited.\\ Finally, we propose a methodology for an anatomy-consistent segmentation of organs at risk in the context of radiotherapy of brain tumors. The segmentations produced by our system on a set of MRIs acquired in the Centre Antoine Lacassagne (Nice, France) are evaluated by an experienced radiotherapist