Les modèles de réseaux de neurones et en particulier les modèles profonds sont aujourd'hui l'un des modèles à l'état de l'art en apprentissage automatique et ses applications. Les réseaux de neurones profonds récents possèdent de nombreuses couches cachées ce qui augmente significativement le nombre total de paramètres. L'apprentissage de ce genre de modèles nécessite donc un grand nombre d'exemples étiquetés, qui ne sont pas toujours disponibles en pratique. Le sur-apprentissage est un des problèmes fondamentaux des réseaux de neurones, qui se produit lorsque le modèle apprend par coeur les données d'apprentissage, menant à des difficultés à généraliser sur de nouvelles données. Le problème du sur-apprentissage des réseaux de neurones est le thème principal abordé dans cette thèse. Dans la littérature, plusieurs solutions ont été proposées pour remédier à ce problème, tels que l'augmentation de données, l'arrêt prématuré de l'apprentissage ("early stopping"), ou encore des techniques plus spécifiques aux réseaux de neurones comme le "dropout" ou la "batch normalization". Dans cette thèse, nous abordons le sur-apprentissage des réseaux de neurones profonds sous l'angle de l'apprentissage de représentations, en considérant l'apprentissage avec peu de données. Pour aboutir à cet objectif, nous avons proposé trois différentes contributions. La première contribution, présentée dans le chapitre 2, concerne les problèmes à sorties structurées dans lesquels les variables de sortie sont à grande dimension et sont généralement liées par des relations structurelles. Notre proposition vise à exploiter ces relations structurelles en les apprenant de manière non-supervisée avec des autoencodeurs. Nous avons validé notre approche sur un problème de régression multiple appliquée à la détection de points d'intérêt dans des images de visages. Notre approche a montré une accélération de l'apprentissage des réseaux et une amélioration de leur généralisation. La deuxième contribution, présentée dans le chapitre 3, exploite la connaissance a priori sur les représentations à l'intérieur des couches cachées dans le cadre d'une tâche de classification. Cet à priori est basé sur la simple idée que les exemples d'une même classe doivent avoir la même représentation interne. Nous avons formalisé cet à priori sous la forme d'une pénalité que nous avons rajoutée à la fonction de perte. Des expérimentations empiriques sur la base MNIST et ses variantes ont montré des améliorations dans la généralisation des réseaux de neurones, particulièrement dans le cas où peu de données d'apprentissage sont utilisées. Notre troisième et dernière contribution, présentée dans le chapitre 4, montre l'intérêt du transfert d'apprentissage ("transfer learning") dans des applications dans lesquelles peu de données d'apprentissage sont disponibles. L'idée principale consiste à pré-apprendre les filtres d'un réseau à convolution sur une tâche source avec une grande base de données (ImageNet par exemple), pour les insérer par la suite dans un nouveau réseau sur la tâche cible. Dans le cadre d'une collaboration avec le centre de lutte contre le cancer "Henri Becquerel de Rouen", nous avons construit un système automatique basé sur ce type de transfert d'apprentissage pour une application médicale où l'on dispose d’un faible jeu de données étiquetées. Dans cette application, la tâche consiste à localiser la troisième vertèbre lombaire dans un examen de type scanner. L’utilisation du transfert d’apprentissage ainsi que de prétraitements et de post traitements adaptés a permis d’obtenir des bons résultats, autorisant la mise en oeuvre du modèle en routine clinique. / Neural network models and deep models are one of the leading and state of the art models in machine learning. They have been applied in many different domains. Most successful deep neural models are the ones with many layers which highly increases their number of parameters. Training such models requires a large number of training samples which is not always available. One of the fundamental issues in neural networks is overfitting which is the issue tackled in this thesis. Such problem often occurs when the training of large models is performed using few training samples. Many approaches have been proposed to prevent the network from overfitting and improve its generalization performance such as data augmentation, early stopping, parameters sharing, unsupervised learning, dropout, batch normalization, etc. In this thesis, we tackle the neural network overfitting issue from a representation learning perspective by considering the situation where few training samples are available which is the case of many real world applications. We propose three contributions. The first one presented in chapter 2 is dedicated to dealing with structured output problems to perform multivariate regression when the output variable y contains structural dependencies between its components. Our proposal aims mainly at exploiting these dependencies by learning them in an unsupervised way. Validated on a facial landmark detection problem, learning the structure of the output data has shown to improve the network generalization and speedup its training. The second contribution described in chapter 3 deals with the classification task where we propose to exploit prior knowledge about the internal representation of the hidden layers in neural networks. This prior is based on the idea that samples within the same class should have the same internal representation. We formulate this prior as a penalty that we add to the training cost to be minimized. Empirical experiments over MNIST and its variants showed an improvement of the network generalization when using only few training samples. Our last contribution presented in chapter 4 showed the interest of transfer learning in applications where only few samples are available. The idea consists in re-using the filters of pre-trained convolutional networks that have been trained on large datasets such as ImageNet. Such pre-trained filters are plugged into a new convolutional network with new dense layers. Then, the whole network is trained over a new task. In this contribution, we provide an automatic system based on such learning scheme with an application to medical domain. In this application, the task consists in localizing the third lumbar vertebra in a 3D CT scan. A pre-processing of the 3D CT scan to obtain a 2D representation and a post-processing to refine the decision are included in the proposed system. This work has been done in collaboration with the clinic "Rouen Henri Becquerel Center" who provided us with data

Ces dernières années, il y a eu un intérêt croissant dans le domaine de l'apprentissage profond pour le traitement du langage naturel. Plusieurs étapes importantes ont été franchies au cours de la dernière décennie dans divers problèmes, tels que les systèmes de questions-réponses, le résumé de texte, l'analyse des sentiments, etc. Le pré-entraînement des modèles de langage dans une manière auto-supervisé est une partie importante de ces réalisations. Cette thèse explore un ensemble de méthodes auto-supervisées pour apprendre des représentations de phrases à partir d'une grande quantité de données non étiquetées. Nous introduisons également un nouveau modèle de mémoire augmentée pour apprendre des représentations basées sur une structure d'arbre. Nous évaluons et analysons ces représentations sur différentes tâches. Dans le chapitre 1, nous introduisons les bases des réseaux neuronaux avant et des réseaux neuronaux récurrents. Le chapitre se poursuit avec la discussion de l'algorithme de rétropropagation pour former les réseaux neuronaux de flux avant, et la rétropropagation à travers l'algorithme de temps pour former les réseaux neuronaux récurrents. Nous discutons également de trois approches différentes dans le domaine de l’apprentissage de représentations, notamment l'apprentissage supervisé, l'apprentissage non supervisé et une approche relativement nouvelle appelée apprentissage auto-supervisé. Dans le chapitre 2, nous discutons des principes fondamentaux du traitement automatique du langage naturel profond. Plus précisément, nous couvrons les représentations de mots, les représentations de phrases et la modélisation du langage. Nous nous concentrons sur l'évaluation et l'état actuel de la littérature pour ces concepts. Nous finissons le chapitre en discutant le pré-entraînement à grande échelle et le transfert de l’apprentissage dans la langue. Dans le chapitre 3, nous étudions un ensemble de tâches auto-supervisées qui prend avantage de l’estimation contrastive bruitée afin d'apprendre des représentations de phrases à l'aide de données non étiquetées. Nous entraînons notre modèle sur un grand corpus et évaluons nos représentations de phrases apprises sur un ensemble de tâches du langage naturel en aval provenant du cadre SentEval. Notre modèle entraîné sur les tâches proposées surpasse les méthodes non-supervisées sur un sous-ensemble de tâches de SentEval. Dans les chapitres 4, nous introduisons un modèle de mémoire augmentée appelé Ordered Memory, qui présente plusieurs améliorations par rapport aux réseaux de neurones récurrents augmentés par pile traditionnels. Nous introduisons un nouveau mécanisme d'attention de Stick-breaking inspiré par les Ordered Neurons [shen et. al., 2019] pour écrire et effacer la mémoire. Une nouvelle cellule récursive à portes est également introduite pour composer des représentations de bas niveau en des représentations de haut niveau. Nous montrons que ce modèle fonctionne bien sur la tâche d'inférence logique et la tâche ListOps, et il montre également de fortes propriétés de généralisation dans ces tâches. Enfin, nous évaluons notre modèle sur les tâches (binaire et multi-classe) SST (Stanford Sentiment Treebank) et rapportons des résultats comparables à l’état de l’art sur ces tâches. / In chapter 1, we introduce the basics of feed forward neural networks and recurrent neural networks. The chapter continues with the discussion of the backpropagation algorithm to train feed forward neural networks, and the backpropagation through time algorithm to train recurrent neural networks. We also discuss three different approaches in learning representations, namely supervised learning, unsupervised learning, and a relatively new approach called self-supervised learning. In chapter 2, we talk about the fundamentals of deep natural language processing. Specifically, we cover word representations, sentence representations, and language modelling. We focus on the evaluation and current state of the literature for these concepts. We close the chapter by discussing large scale pre-training and transfer learning in language. In chapter 3, we investigate a set of self-supervised tasks that take advantage of noise contrastive estimation in order to learn sentence representations using unlabeled data. We train our model on a large corpora and evaluate our learned sentence representations on a set of downstream natural language tasks from the SentEval framework. Our model trained on the proposed tasks outperforms unsupervised methods on a subset of tasks from SentEval. In chapter 4, we introduce a memory augmented model called Ordered Memory with several improvements over traditional stack-augmented recurrent neural networks. We introduce a new Stick-breaking attention mechanism inspired by Ordered Neurons [Shen et.al., 2019] to write in and erase from the memory. A new Gated Recursive Cell is also introduced to compose low level representations into higher level ones. We show that this model performs well on the logical inference task and the ListOps task, and it also shows strong generalization properties in these tasks. Finally, we evaluate our model on the SST (Stanford Sentiment Treebank) tasks (binary and fine-grained) and report results that are comparable with state-of-the-art on these tasks.

Les modèles de réponse aux questions ont montré des résultats impressionnants sur plusieurs ensembles de données et tâches de réponse aux questions. Cependant, lorsqu'ils sont testés sur des ensembles de données hors domaine, la performance diminue. Afin de contourner l'annotation manuelle des données d'entraînement du nouveau domaine, des paires de questions-réponses peuvent être générées synthétiquement à partir de données non annotées. Dans ce travail, nous nous intéressons à la génération de données synthétiques et nous testons différentes méthodes de traitement du langage naturel pour les deux étapes de création d'ensembles de données : génération de questions et génération de réponses. Nous utilisons les ensembles de données générés pour entraîner les modèles UnifiedQA et Bert-QA et nous les testons sur SCIQ, un ensemble de données hors domaine sur la physique, la chimie et la biologie pour la tâche de question-réponse à choix multiples, ainsi que sur HotpotQA, TriviaQA, NatQ et SearchQA, quatre ensembles de données hors domaine pour la tâche de question-réponse. Cette procédure nous permet d'évaluer et de comparer les méthodes basées sur des règles avec les méthodes de réseaux neuronaux. Nous montrons que les méthodes basées sur des règles produisent des résultats supérieurs pour la tâche de question-réponse à choix multiple, mais que les méthodes de réseaux neuronaux produisent généralement des meilleurs résultats pour la tâche de question-réponse. Par contre, nous observons aussi qu'occasionnellement, les méthodes basées sur des règles peuvent compléter les méthodes de réseaux neuronaux et produire des résultats compétitifs lorsqu'on entraîne Bert-QA avec les bases de données synthétiques provenant des deux méthodes. / Question Answering models have shown impressive results in several question answering datasets and tasks. However, when tested on out-of-domain datasets, the performance decreases. In order to circumvent manually annotating training data from the new domain, question-answer pairs can be generated synthetically from unnanotated data. In this work, we are interested in the generation of synthetic data and we test different Natural Language Processing methods for the two steps of dataset creation: question/answer generation. We use the generated datasets to train QA models UnifiedQA and Bert-QA and we test it on SCIQ, an out-of-domain dataset about physics, chemistry, and biology for MCQA, and on HotpotQA, TriviaQA, NatQ and SearchQA, four out-of-domain datasets for QA. This procedure allows us to evaluate and compare rule-based methods with neural network methods. We show that rule-based methods yield superior results for the multiple-choice question-answering task, but neural network methods generally produce better results for the question-answering task. However, we also observe that occasionally, rule-based methods can complement neural network methods and produce competitive results when training Bert-QA with synthetic databases derived from both methods.

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Ces dernières années, le domaine de l’apprentissage profond a connu des progrès énormes dans des applications allant de la génération d’images, détection d’objets, modélisation du langage à la réponse aux questions visuelles. Les approches classiques telles que l’apprentissage supervisé nécessitent de grandes quantités de données étiquetées et spécifiques à la tâches. Cependant, celles-ci sont parfois coûteuses, peu pratiques, ou trop longues à collecter. La modélisation efficace en données, qui comprend des techniques comme l’apprentissage few-shot (à partir de peu d’exemples) et l’apprentissage self-supervised (auto-supervisé), tentent de remédier au manque de données spécifiques à la tâche en exploitant de grandes quantités de données plus “générales”. Les progrès de l’apprentissage profond, et en particulier de l’apprentissage few-shot, s’appuient sur les benchmarks (suites d’évaluation), les métriques d’évaluation et les jeux de données, car ceux-ci sont utilisés pour tester et départager différentes méthodes sur des tâches précises, et identifier l’état de l’art. Cependant, du fait qu’il s’agit de versions idéalisées de la tâche à résoudre, les benchmarks sont rarement équivalents à la tâche originelle, et peuvent avoir plusieurs limitations qui entravent leur rôle de sélection des directions de recherche les plus prometteuses. De plus, la définition de métriques d’évaluation pertinentes peut être difficile, en particulier dans le cas de sorties structurées et en haute dimension, telles que des images, de l’audio, de la parole ou encore du texte. Cette thèse discute des limites et des perspectives des benchmarks existants, des fonctions de coût (training losses) et des métriques d’évaluation (evaluation metrics), en mettant l’accent sur la modélisation générative - les Réseaux Antagonistes Génératifs (GANs) en particulier - et la modélisation efficace des données, qui comprend l’apprentissage few-shot et self-supervised. La première contribution est une discussion de la tâche de modélisation générative, suivie d’une exploration des propriétés théoriques et empiriques des fonctions de coût des GANs. La deuxième contribution est une discussion sur la limitation des few-shot classification benchmarks, certains ne nécessitant pas de généralisation à de nouvelles sémantiques de classe pour être résolus, et la proposition d’une méthode de base pour les résoudre sans étiquettes en phase de testing. La troisième contribution est une revue sur les méthodes few-shot et self-supervised de détection d’objets , qui souligne les limites et directions de recherche prometteuses. Enfin, la quatrième contribution est une méthode efficace en données pour la description de vidéo qui exploite des jeux de données texte et vidéo non supervisés. / In recent years, the field of deep learning has seen tremendous progress for applications ranging from image generation, object detection, language modeling, to visual question answering. Classic approaches such as supervised learning require large amounts of task-specific and labeled data, which may be too expensive, time-consuming, or impractical to collect. Data-efficient methods, such as few-shot and self-supervised learning, attempt to deal with the limited availability of task-specific data by leveraging large amounts of general data. Progress in deep learning, and in particular, few-shot learning, is largely driven by the relevant benchmarks, evaluation metrics, and datasets. They are used to test and compare different methods on a given task, and determine the state-of-the-art. However, due to being idealized versions of the task to solve, benchmarks are rarely equivalent to the original task, and can have several limitations which hinder their role of identifying the most promising research directions. Moreover, defining meaningful evaluation metrics can be challenging, especially in the case of high-dimensional and structured outputs, such as images, audio, speech, or text. This thesis discusses the limitations and perspectives of existing benchmarks, training losses, and evaluation metrics, with a focus on generative modeling—Generative Adversarial Networks (GANs) in particular—and data-efficient modeling, which includes few-shot and self-supervised learning. The first contribution is a discussion of the generative modeling task, followed by an exploration of theoretical and empirical properties of the GAN loss. The second contribution is a discussion of a limitation of few-shot classification benchmarks, which is that they may not require class semantic generalization to be solved, and the proposal of a baseline method for solving them without test-time labels. The third contribution is a survey of few-shot and self-supervised object detection, which points out the limitations and promising future research for the field. Finally, the fourth contribution is a data-efficient method for video captioning, which leverages unsupervised text and video datasets, and explores several multimodal pretraining strategies.