This work presents an investigation of tailoring Network Representation Learning (NRL) for an application in the Financial Industry. NRL approaches are data-driven models that learn how to encode graph structures into low-dimensional vector spaces, which can be further exploited by downstream Machine Learning applications. They can potentially bring a lot of benefits in the Financial Industry since they extract in an automatic way features that can provide useful input regarding graph structures, called embeddings. Financial transactions can be represented as a network, and through NRL, it is possible to extract embeddings that reflect the intrinsic inter-connected nature of economic relationships. Such embeddings can be used for several purposes, among which Anomaly Detection to fight financial crime.This work provides a qualitative analysis over state-of-the-art NRL models, which identifies Graph Convolutional Network (ConvGNN) as the most suitable category of approaches for Financial Industry but with a certain need for further improvement. Financial Industry poses additional challenges when modelling a NRL solution. Despite the need of having a scalable solution to handle real-world graph with considerable dimensions, it is necessary to take into consideration several characteristics: transactions graphs are inherently dynamic since every day new transactions are executed and nodes can be heterogeneous. Besides, everything is further complicated by the need to have updated information in (near) real-time due to the sensitivity of the application domain. For these reasons, GraphSAGE has been considered as a base for the experiments, which is an inductive ConvGNN model. Two variants of GraphSAGE are presented: a dynamic variant whose weights evolve accordingly with the input sequence of graph snapshots, and a variant specifically meant to handle bipartite graphs. These variants have been evaluated by applying them to real-world data and leveraging the generated embeddings to perform Anomaly Detection. The experiments demonstrate that leveraging these variants leads toimagecomparable results with other state-of-the-art approaches, but having the advantage of being suitable to handle real-world financial data sets. / Detta arbete presenterar en undersökning av tillämpningar av Network Representation Learning (NRL) inom den finansiella industrin. Metoder inom NRL möjliggör datadriven kondensering av grafstrukturer till lågdimensionella och lätthanterliga vektorer.Dessa vektorer kan sedan användas i andra maskininlärningsuppgifter. Närmare bestämt, kan metoder inom NRL underlätta hantering av och informantionsutvinning ur beräkningsintensiva och storskaliga grafer inom den finansiella sektorn, till exempel avvikelsehantering bland finansiella transaktioner. Arbetet med data av denna typ försvåras av det faktum att transaktionsgrafer är dynamiska och i konstant förändring. Utöver detta kan noderna, dvs transaktionspunkterna, vara vitt skilda eller med andra ord härstamma från olika fördelningar.I detta arbete har Graph Convolutional Network (ConvGNN) ansetts till den mest lämpliga lösningen för nämnda tillämpningar riktade mot upptäckt av avvikelser i transaktioner. GraphSAGE har använts som utgångspunkt för experimenten i två olika varianter: en dynamisk version där vikterna uppdateras allteftersom nya transaktionssekvenser matas in, och en variant avsedd särskilt för bipartita (tvådelade) grafer. Dessa varianter har utvärderats genom användning av faktiska datamängder med avvikelsehantering som slutmål.

Tesis por compendio / [ES] La detección del lenguaje abusivo es una tarea que se ha vuelto cada vez más importante en la era digital moderna, donde la comunicación se produce a través de diversas plataformas en línea. El aumento de las interacciones en estas plataformas ha provocado un aumento de la aparición del lenguaje abusivo. Abordar dicho contenido es crucial para mantener un entorno en línea seguro e inclusivo. Sin embargo, esta tarea enfrenta varios desafíos que la convierten en un área compleja y que demanda de continua investigación y desarrollo. En particular, detectar lenguaje abusivo en entornos con escasez de datos presenta desafíos adicionales debido a que el desarrollo de sistemas automáticos precisos a menudo requiere de grandes conjuntos de datos anotados. En esta tesis investigamos diferentes aspectos de la detección del lenguaje abusivo, prestando especial atención a entornos con datos limitados. Primero, estudiamos el sesgo hacia palabras clave abusivas en modelos entrenados para la detección del lenguaje abusivo. Con este propósito, proponemos dos métodos para extraer palabras clave potencialmente abusivas de colecciones de textos. Luego evaluamos el sesgo hacia las palabras clave extraídas y cómo se puede modificar este sesgo para influir en el rendimiento de la detección del lenguaje abusivo. El análisis y las conclusiones de este trabajo revelan evidencia de que es posible mitigar el sesgo y que dicha reducción puede afectar positivamente el desempeño de los modelos. Sin embargo, notamos que no es posible establecer una correspondencia similar entre la variación del sesgo y el desempeño de los modelos cuando hay escasez datos con las técnicas de reducción del sesgo estudiadas. En segundo lugar, investigamos el uso de redes neuronales basadas en grafos para detectar lenguaje abusivo. Por un lado, proponemos una estrategia de representación de textos diseñada con el objetivo de obtener un espacio de representación en el que los textos abusivos puedan distinguirse fácilmente de otros textos. Por otro lado, evaluamos la capacidad de redes neuronales convolucionales basadas en grafos para clasificar textos abusivos. La siguiente parte de nuestra investigación se centra en analizar cómo el aumento de datos puede influir en el rendimiento de la detección del lenguaje abusivo. Para ello, investigamos dos técnicas bien conocidas basadas en el principio de minimización del riesgo en la vecindad de instancias originales y proponemos una variante para una de ellas. Además, evaluamos técnicas simples basadas en el reemplazo de sinónimos, inserción aleatoria, intercambio aleatorio y eliminación aleatoria de palabras. Las contribuciones de esta tesis ponen de manifiesto el potencial de las redes neuronales basadas en grafos y de las técnicas de aumento de datos para mejorar la detección del lenguaje abusivo, especialmente cuando hay limitación de datos. Estas contribuciones han sido publicadas en conferencias y revistas internacionales. / [CA] La detecció del llenguatge abusiu és una tasca que s'ha tornat cada vegada més important en l'era digital moderna, on la comunicació es produïx a través de diverses plataformes en línia. L'augment de les interaccions en estes plataformes ha provocat un augment de l'aparició de llenguatge abusiu. Abordar este contingut és crucial per a mantindre un entorn en línia segur i inclusiu. No obstant això, esta tasca enfronta diversos desafiaments que la convertixen en una àrea complexa i contínua de recerca i desenvolupament. En particular, detectar llenguatge abusiu en entorns amb escassetat de dades presenta desafiaments addicionals pel fet que el desenvolupament de sistemes automàtics precisos sovint requerix de grans conjunts de dades anotades. En esta tesi investiguem diferents aspectes de la detecció del llenguatge abusiu, prestant especial atenció a entorns amb dades limitades. Primer, estudiem el biaix cap a paraules clau abusives en models entrenats per a la detecció de llenguatge abusiu. Amb este propòsit, proposem dos mètodes per a extraure paraules clau potencialment abusives de col·leccions de textos. Després avaluem el biaix cap a les paraules clau extretes i com es pot modificar este biaix per a influir en el rendiment de la detecció de llenguatge abusiu. L'anàlisi i les conclusions d'este treball revelen evidència que és possible mitigar el biaix i que esta reducció pot afectar positivament l'acompliment dels models. No obstant això, notem que no és possible establir una correspondència similar entre la variació del biaix i l'acompliment dels models quan hi ha escassetat dades amb les tècniques de reducció del biaix estudiades. En segon lloc, investiguem l'ús de xarxes neuronals basades en grafs per a detectar llenguatge abusiu. D'una banda, proposem una estratègia de representació textual dissenyada amb l'objectiu d'obtindre un espai de representació en el qual els textos abusius puguen distingir-se fàcilment d'altres textos. D'altra banda, avaluem la capacitat de models basats en xarxes neuronals convolucionals basades en grafs per a classificar textos abusius. La següent part de la nostra investigació se centra en analitzar com l'augment de dades pot influir en el rendiment de la detecció del llenguatge abusiu. Per a això, investiguem dues tècniques ben conegudes basades en el principi de minimització del risc en el veïnatge d'instàncies originals i proposem una variant per a una d'elles. A més, avaluem tècniques simples basades en el reemplaçament de sinònims, inserció aleatòria, intercanvi aleatori i eliminació aleatòria de paraules. Les contribucions d'esta tesi destaquen el potencial de les xarxes neuronals basades en grafs i de les tècniques d'augment de dades per a millorar la detecció del llenguatge abusiu, especialment quan hi ha limitació de dades. Estes contribucions han sigut publicades en revistes i conferències internacionals. / [EN] Abusive language detection is a task that has become increasingly important in the modern digital age, where communication takes place via various online platforms. The increase in online interactions has led to an increase in the occurrence of abusive language. Addressing such content is crucial to maintaining a safe and inclusive online environment. However, this task faces several challenges that make it a complex and ongoing area of research and development. In particular, detecting abusive language in environments with sparse data poses an additional challenge, since the development of accurate automated systems often requires large annotated datasets. In this thesis we investigate different aspects of abusive language detection, paying particular attention to environments with limited data. First, we study the bias toward abusive keywords in models trained for abusive language detection. To this end, we propose two methods for extracting potentially abusive keywords from datasets. We then evaluate the bias toward the extracted keywords and how this bias can be modified in order to influence abusive language detection performance. The analysis and conclusions of this work reveal evidence that it is possible to mitigate the bias and that such a reduction can positively affect the performance of the models. However, we notice that it is not possible to establish a similar correspondence between bias mitigation and model performance in low-resource settings with the studied bias mitigation techniques. Second, we investigate the use of models based on graph neural networks to detect abusive language. On the one hand, we propose a text representation framework designed with the aim of obtaining a representation space in which abusive texts can be easily distinguished from other texts. On the other hand, we evaluate the ability of models based on convolutional graph neural networks to classify abusive texts. The next part of our research focuses on analyzing how data augmentation can influence the performance of abusive language detection. To this end, we investigate two well-known techniques based on the principle of vicinal risk minimization and propose a variant for one of them. In addition, we evaluate simple techniques based on the operations of synonym replacement, random insertion, random swap, and random deletion. The contributions of this thesis highlight the potential of models based on graph neural networks and data augmentation techniques to improve abusive language detection, especially in low-resource settings. These contributions have been published in several international conferences and journals. / This research work was partially funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation under the research project MISMIS-FAKEnHATE on Misinformation and Miscommunication in social media: FAKE news and HATE speech (PGC2018-096212-B-C31). The authors thank also the EU-FEDER Comunitat Valenciana 2014-2020 grant IDIFEDER/2018/025. This work was done in the framework of the research project on Fairness and Transparency for equitable NLP applications in social media, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by ERDF, EU A way of making EuropePI. FairTransNLP research project (PID2021-124361OB-C31) funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by ERDF, EU A way of making Europe. Part of the work presented in this article was performed during the first author’s research visit to the University of Mannheim, supported through a Contact Fellowship awarded by the DAAD scholarship program “STIBET Doktoranden”. / Peña Sarracén, GLDL. (2024). On the Keyword Extraction and Bias Analysis, Graph-based Exploration and Data Augmentation for Abusive Language Detection in Low-Resource Settings [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203266 / Compendio

Humans' incredible capacity to model the complexity of the physical world is possible because they cast this complexity as the composition of simpler entities and rules to process them. Extensive work in cognitive science indeed shows that human perception and reasoning ability is structured around objects. Motivated by this observation, a growing number of recent work focused on entity-centric approaches to learning representation and their potential to facilitate downstream tasks. In the first contribution, we show how an entity-centric approach to learning a transition model allows us to extract meaningful visual entities and to learn transition rules that achieve better compositional generalization. In the second contribution, we show how an entity-centric approach to generating graphs allows us to design a model for conditional graph generation that permits direct optimisation of the graph properties. We investigate the performance of our model in a prototype-based molecular graph generation task. In this task, called lead optimization in drug discovery, we wish to adjust a few physico-chemical properties of a molecule that has proven efficient in vitro in order to make a drug out of it. / L'incroyable capacité des humains à modéliser la complexité du monde physique est rendue possible par la décomposition qu'ils en font en un ensemble d'entités et de règles simples. De nombreux travaux en sciences cognitives montre que la perception humaine et sa capacité à raisonner est essentiellement centrée sur la notion d'objet. Motivés par cette observation, de récents travaux se sont intéressés aux différentes approches d'apprentissage de représentations centrées sur des entités et comment ces représentations peuvent être utilisées pour résoudre plus facilement des tâches sous-jacentes. Dans la première contribution on montre comment une architecture centrée sur la notion d'entité va permettre d'extraire des entités visuelles interpretables et d'apprendre un modèle du monde plus robuste aux différentes configurations d'objets. Dans la deuxième contribution on s’intéresse à un modèle de génération de graphes dont l'architecture est également centrée sur la notion d'entités et comment cette architecture rend plus facile l'apprentissage d'une génération conditionelle à certaines propriétés du graphe. On s’intéresse plus particulièrement aux applications en découverte de médicaments. Dans cette tâche, on souhaite optimiser certaines propriétés physico-chmiques du graphe d'une molécule qui a été efficace in-vitro et dont on veut faire un médicament.

Évaluer la vulnérabilité des réseaux est un enjeu de plus en plus critique. Dans ce mémoire, nous nous penchons sur une approche étudiant la défense d’infrastructures stratégiques contre des attaques malveillantes au travers de problèmes d'optimisations multiniveaux. Plus particulièrement, nous analysons un jeu séquentiel en trois étapes appelé le « Multilevel Critical Node problem » (MCN). Ce jeu voit deux joueurs s'opposer sur un graphe: un attaquant et un défenseur. Le défenseur commence par empêcher préventivement que certains nœuds soient attaqués durant une phase de vaccination. Ensuite, l’attaquant infecte un sous ensemble des nœuds non vaccinés. Finalement, le défenseur réagit avec une stratégie de protection. Dans ce mémoire, nous fournissons les premiers résultats de complexité pour MCN ainsi que ceux de ses sous-jeux. De plus, en considérant les différents cas de graphes unitaires, pondérés ou orientés, nous clarifions la manière dont la complexité de ces problèmes varie. Nos résultats contribuent à élargir les familles de problèmes connus pour être complets pour les classes NP, $\Sigma_2^p$ et $\Sigma_3^p$. Motivés par l’insolubilité intrinsèque de MCN, nous concevons ensuite une heuristique efficace pour le jeu. Nous nous appuyons sur les approches récentes cherchant à apprendre des heuristiques pour des problèmes d’optimisation combinatoire en utilisant l’apprentissage par renforcement et les réseaux de neurones graphiques. Contrairement aux précédents travaux, nous nous intéressons aux situations dans lesquelles de multiples joueurs prennent des décisions de manière séquentielle. En les inscrivant au sein du formalisme d’apprentissage multiagent, nous concevons un algorithme apprenant à résoudre des problèmes d’optimisation combinatoire multiniveaux budgétés opposant deux joueurs dans un jeu à somme nulle sur un graphe. Notre méthode est basée sur un simple curriculum : si un agent sait estimer la valeur d’une instance du problème ayant un budget au plus B, alors résoudre une instance avec budget B+1 peut être fait en temps polynomial quelque soit la direction d’optimisation en regardant la valeur de tous les prochains états possibles. Ainsi, dans une approche ascendante, nous entraînons notre agent sur des jeux de données d’instances résolues heuristiquement avec des budgets de plus en plus grands. Nous rapportons des résultats quasi optimaux sur des graphes de tailles au plus 100 et un temps de résolution divisé par 185 en moyenne comparé au meilleur solutionneur exact pour le MCN. / Evaluating the vulnerability of networks is a problem which has gain momentum in recent decades. In this work, we focus on a Multilevel Programming approach to study the defense of critical infrastructures against malicious attacks. We analyze a three-stage sequential game played in a graph called the Multilevel Critical Node problem (MCN). This game sees two players competing with each other: a defender and an attacker. The defender starts by preventively interdicting nodes from being attacked during what is called a vaccination phase. Then, the attacker infects a subset of non-vaccinated nodes and, finally, the defender reacts with a protection strategy. We provide the first computational complexity results associated with MCN and its subgames. Moreover, by considering unitary, weighted, undirected and directed graphs, we clarify how the theoretical tractability or intractability of those problems vary. Our findings contribute with new NP-complete, $\Sigma_2^p$-complete and $\Sigma_3^p$-complete problems. Motivated by the intrinsic intractability of the MCN, we then design efficient heuristics for the game by building upon the recent approaches seeking to learn heuristics for combinatorial optimization problems through graph neural networks and reinforcement learning. But contrary to previous work, we tackle situations with multiple players taking decisions sequentially. By framing them in a multi-agent reinforcement learning setting, we devise a value-based method to learn to solve multilevel budgeted combinatorial problems involving two players in a zero-sum game over a graph. Our framework is based on a simple curriculum: if an agent knows how to estimate the value of instances with budgets up to B, then solving instances with budget B+1 can be done in polynomial time regardless of the direction of the optimization by checking the value of every possible afterstate. Thus, in a bottom-up approach, we generate datasets of heuristically solved instances with increasingly larger budgets to train our agent. We report results close to optimality on graphs up to 100 nodes and a 185 x speedup on average compared to the quickest exact solver known for the MCN.

In den letzten Jahren hat das Teilgebiet des Maschinellen Lernens, das sich mit Graphdaten beschäftigt, durch die Entwicklung von spezialisierten Graph-Neuronalen Netzen (GNNs) mit mathematischer Begründung in der spektralen Graphtheorie große Sprünge nach vorn gemacht. Zusätzlich zu natürlichen Graphdaten können diese Methoden auch auf Datensätze ohne Graphen angewendet werden, indem man einen Graphen künstlich mithilfe eines definierten Adjazenzbegriffs zwischen den Samplen konstruiert. Nach dem neueste Stand der Technik wird jedes Sample mit einer geringen Anzahl an Nachbarn verknüpft, um gleichzeitig das dünnbesetzte Verhalten natürlicher Graphen nachzuahmen, die Stärken bestehender GNN-Methoden auszunutzen und quadratische Abhängigkeit von der Knotenanzahl zu verhinden, welche diesen Ansatz für große Datensätze unbrauchbar machen würde. Die vorliegende Arbeit beleuchtet die alternative Konstruktion von vollbesetzten Graphen basierend auf Kernel-Funktionen. Dabei quantifizieren die Verknüpfungen eines jeden Samples explizit die Ähnlichkeit zu allen anderen Samplen. Deshalb enthält der Graph eine quadratische Anzahl an Kanten, die die lokalen und nicht-lokalen Nachbarschaftsinformationen beschreiben. Obwohl dieser Ansatz in anderen Kontexten wie der Lösung partieller Differentialgleichungen ausgiebig untersucht wurde, wird er im Maschinellen Lernen heutzutage meist wegen der dichtbesetzten Adjazenzmatrizen als unbrauchbar empfunden. Aus diesem Grund behandelt ein großer Teil dieser Arbeit numerische Techniken für schnelle Auswertungen, insbesondere Eigenwertberechnungen, in wichtigen Spezialfällen, bei denen die Samples durch niedrigdimensionale Vektoren (wie z.B. in dreidimensionalen Punktwolken) oder durch kategoriale Attribute beschrieben werden. Weiterhin wird untersucht, wie diese dichtbesetzten Adjazenzinformationen in Lernsituationen auf Graphen benutzt werden können. Es wird eine eigene transduktive Lernmethode vorgeschlagen und präsentiert, eine Version eines Graph Convolutional Networks (GCN), das auf die spektralen und räumlichen Eigenschaften von dichtbesetzten Graphen abgestimmt ist. Schließlich wird die Anwendung von Kernel-basierten Adjazenzmatrizen in der Beschleunigung der erfolgreichen Architektur “PointNet++” umrissen. Im Verlauf der Arbeit werden die Methoden in ausführlichen numerischen Experimenten evaluiert. Zusätzlich zu der empirischen Genauigkeit der Neuronalen Netze liegt der Fokus auf wettbewerbsfähigen Laufzeiten, um die Berechnungs- und Energiekosten der Methoden zu reduzieren. / Over the past few years, graph learning - the subdomain of machine learning on graph data - has taken big leaps forward through the development of specialized Graph Neural Networks (GNNs) that have mathematical foundations in spectral graph theory. In addition to natural graph data, these methods can be applied to non-graph data sets by constructing a graph artificially using a predefined notion of adjacency between samples. The state of the art is to only connect each sample to a low number of neighbors in order to simultaneously mimic the sparse behavior of natural graphs, play into the strengths of existing GNN methods, and avoid quadratic scaling in the number of nodes that would make the approach infeasible for large problem sizes. In this thesis, we shine light on the alternative construction of kernel-based fully-connected graphs. Here the connections of each sample explicitly quantify the similarities to all other samples. Hence the graph contains a quadratic number of edges which encode local and non-local neighborhood information. Though this approach is well studied in other settings including the solution of partial differential equations, it is typically dismissed in machine learning nowadays because of its dense adjacency matrices. We thus dedicate a large portion of this work to showcasing numerical techniques for fast evaluations, especially eigenvalue computations, in important special cases where samples are described by low-dimensional feature vectors (e.g., three-dimensional point clouds) or by a small set of categorial attributes. We then continue to investigate how this dense adjacency information can be utilized in graph learning settings. In particular, we present our own proposed transductive learning method, a version of a Graph Convolutional Network (GCN) designed towards the spectral and spatial properties of dense graphs. We furthermore outline the application of kernel-based adjacency matrices in the speedup of the successful PointNet++ architecture. Throughout this work, we evaluate our methods in extensive numerical experiments. In addition to the empirical accuracy of our neural network tasks, we focus on competitive runtimes in order to decrease the computational and energy cost of our methods.

The core research of this thesis, mostly comprising chapter four, has been accepted to the Learning on Graphs (LoG) 2022 conference for a spotlight presentation as a standalone paper, under the title "Taxonomy of Benchmarks in Graph Representation Learning", and is to be published in the Proceedings of Machine Learning Research (PMLR) series. As a main author of the paper, my specific contributions to this paper cover problem formulation, design and implementation of our taxonomy framework and experimental pipeline, collation of our results and of course the writing of the article. / L'apprentissage profond sur les graphes a atteint des niveaux de succès sans précédent ces dernières années grâce aux réseaux de neurones de graphes (GNN), des architectures de réseaux de neurones spécialisées qui ont sans équivoque surpassé les approches antérieurs d'apprentissage définies sur des graphes. Les GNN étendent le succès des réseaux de neurones aux données structurées en graphes en tenant compte de leur géométrie intrinsèque. Bien que des recherches approfondies aient été effectuées sur le développement de GNN avec des performances supérieures à celles des modèles références d'apprentissage de représentation graphique, les procédures d'analyse comparative actuelles sont insuffisantes pour fournir des évaluations justes et efficaces des modèles GNN. Le problème peut-être le plus répandu et en même temps le moins compris en ce qui concerne l'analyse comparative des graphiques est la "couverture de domaine": malgré le nombre croissant d'ensembles de données graphiques disponibles, la plupart d'entre eux ne fournissent pas d'informations supplémentaires et au contraire renforcent les biais potentiellement nuisibles dans le développement d’un modèle GNN. Ce problème provient d'un manque de compréhension en ce qui concerne les aspects d'un modèle donné qui sont sondés par les ensembles de données de graphes. Par exemple, dans quelle mesure testent-ils la capacité d'un modèle à tirer parti de la structure du graphe par rapport aux fonctionnalités des nœuds? Ici, nous développons une approche fondée sur des principes pour taxonomiser les ensembles de données d'analyse comparative selon un "profil de sensibilité" qui est basé sur la quantité de changement de performance du GNN en raison d'une collection de perturbations graphiques. Notre analyse basée sur les données permet de mieux comprendre quelles caractéristiques des données de référence sont exploitées par les GNN. Par conséquent, notre taxonomie peut aider à la sélection et au développement de repères graphiques adéquats et à une évaluation mieux informée des futures méthodes GNN. Enfin, notre approche et notre implémentation dans le package GTaxoGym (https://github.com/G-Taxonomy-Workgroup/GTaxoGym) sont extensibles à plusieurs types de tâches de prédiction de graphes et à des futurs ensembles de données. / Deep learning on graphs has attained unprecedented levels of success in recent years thanks to Graph Neural Networks (GNNs), specialized neural network architectures that have unequivocally surpassed prior graph learning approaches. GNNs extend the success of neural networks to graph-structured data by accounting for their intrinsic geometry. While extensive research has been done on developing GNNs with superior performance according to a collection of graph representation learning benchmarks, current benchmarking procedures are insufficient to provide fair and effective evaluations of GNN models. Perhaps the most prevalent and at the same time least understood problem with respect to graph benchmarking is "domain coverage": Despite the growing number of available graph datasets, most of them do not provide additional insights and on the contrary reinforce potentially harmful biases in GNN model development. This problem stems from a lack of understanding with respect to what aspects of a given model are probed by graph datasets. For example, to what extent do they test the ability of a model to leverage graph structure vs. node features? Here, we develop a principled approach to taxonomize benchmarking datasets according to a "sensitivity profile" that is based on how much GNN performance changes due to a collection of graph perturbations. Our data-driven analysis provides a deeper understanding of which benchmarking data characteristics are leveraged by GNNs. Consequently, our taxonomy can aid in selection and development of adequate graph benchmarks, and better informed evaluation of future GNN methods. Finally, our approach and implementation in the GTaxoGym package (https://github.com/G-Taxonomy-Workgroup/GTaxoGym) are extendable to multiple graph prediction task types and future datasets.

La géométrie moléculaire, également connue sous le nom de conformation, est la représentation la plus intrinsèque et la plus informative des molécules. Cependant, prédire des conformations stables à partir de graphes moléculaires reste un problème difficile et fondamental en chimie et en biologie computationnelles. Les méthodes expérimentales et computationelles traditionnelles sont généralement coûteuses et chronophages. Récemment, nous avons assisté à des progrès considérables dans l'utilisation de l'apprentissage automatique, en particulier des modèles génératifs, pour accélérer cette procédure. Cependant, les approches actuelles basées sur les données n'ont généralement pas la capacité de modéliser des distributions complexes et ne tiennent pas compte de caractéristiques géométriques importantes. Dans cette thèse, nous cherchons à construire des modèles génératifs basés sur des principes pour la génération de conformation moléculaire qui peuvent surmonter les problèmes ci-dessus. Plus précisément, nous avons proposé des modèles de diffusion basés sur les flux, sur l'énergie et de débruitage pour la génération de structures moléculaires. Cependant, il n'est pas trivial d'appliquer ces modèles à cette tâche où la vraisemblance des géométries devrait avoir la propriété importante d'invariance par rotation par de translation. Inspirés par les progrès récents de l'apprentissage des représentations géométriques, nous fournissons à la fois une justification théorique et une mise en œuvre pratique sur la manière d'imposer cette propriété aux modèles. Des expériences approfondies sur des jeux de données de référence démontrent l'efficacité de nos approches proposées par rapport aux méthodes de référence existantes. / Molecular geometry, also known as conformation, is the most intrinsic and informative representation of molecules. However, predicting stable conformations from molecular graphs remains a challenging and fundamental problem in computational chemistry and biology. Traditional experimental and computational methods are usually expensive and time-consuming. Recently, we have witnessed considerable progress in using machine learning, especially generative models, to accelerate this procedure. However, current data-driven approaches usually lack the capacity for modeling complex distributions and fail to take important geometric features into account. In this thesis, we seek to build principled generative models for molecular conformation generation that can overcome the above problems. Specifically, we proposed flow-based, energy-based, and denoising diffusion models for molecular structure generation. However, it's nontrivial to apply these models to this task where the likelihood of the geometries should have the important property of rotational and translation invariance. Inspired by the recent progress of geometric representation learning, we provide both theoretical justification and practical implementation about how to impose this property into the models. Extensive experiments on common benchmark datasets demonstrate the effectiveness of our proposed approaches over existing baseline methods.

L'intelligence artificielle (IA) moderne a ouvert de nouvelles perspectives prometteuses pour la création de robots intelligents. En particulier, les architectures d'apprentissage basées sur le gradient (réseaux neuronaux profonds) ont considérablement amélioré la compréhension des scènes 3D en termes de perception, de raisonnement et d'action. Cependant, ces progrès ont affaibli l'attrait de nombreuses techniques ``classiques'' développées au cours des dernières décennies. Nous postulons qu'un mélange de méthodes ``classiques'' et ``apprises'' est la voie la plus prometteuse pour développer des modèles du monde flexibles, interprétables et exploitables : une nécessité pour les agents intelligents incorporés. La question centrale de cette thèse est : ``Quelle est la manière idéale de combiner les techniques classiques avec des architectures d'apprentissage basées sur le gradient pour une compréhension riche du monde 3D ?''. Cette vision ouvre la voie à une multitude d'applications qui ont un impact fondamental sur la façon dont les agents physiques perçoivent et interagissent avec leur environnement. Cette thèse, appelée ``programmes différentiables pour modèler l'environnement'', unifie les efforts de plusieurs domaines étroitement liés mais actuellement disjoints, notamment la robotique, la vision par ordinateur, l'infographie et l'IA. Ma première contribution---gradSLAM--- est un système de localisation et de cartographie simultanées (SLAM) dense et entièrement différentiable. En permettant le calcul du gradient à travers des composants autrement non différentiables tels que l'optimisation non linéaire par moindres carrés, le raycasting, l'odométrie visuelle et la cartographie dense, gradSLAM ouvre de nouvelles voies pour intégrer la reconstruction 3D classique et l'apprentissage profond. Ma deuxième contribution - taskography - propose une sparsification conditionnée par la tâche de grandes scènes 3D encodées sous forme de graphes de scènes 3D. Cela permet aux planificateurs classiques d'égaler (et de surpasser) les planificateurs de pointe basés sur l'apprentissage en concentrant le calcul sur les attributs de la scène pertinents pour la tâche. Ma troisième et dernière contribution---gradSim--- est un simulateur entièrement différentiable qui combine des moteurs physiques et graphiques différentiables pour permettre l'estimation des paramètres physiques et le contrôle visuomoteur, uniquement à partir de vidéos ou d'une image fixe. / Modern artificial intelligence (AI) has created exciting new opportunities for building intelligent robots. In particular, gradient-based learning architectures (deep neural networks) have tremendously improved 3D scene understanding in terms of perception, reasoning, and action. However, these advancements have undermined many ``classical'' techniques developed over the last few decades. We postulate that a blend of ``classical'' and ``learned'' methods is the most promising path to developing flexible, interpretable, and actionable models of the world: a necessity for intelligent embodied agents. ``What is the ideal way to combine classical techniques with gradient-based learning architectures for a rich understanding of the 3D world?'' is the central question in this dissertation. This understanding enables a multitude of applications that fundamentally impact how embodied agents perceive and interact with their environment. This dissertation, dubbed ``differentiable world programs'', unifies efforts from multiple closely-related but currently-disjoint fields including robotics, computer vision, computer graphics, and AI. Our first contribution---gradSLAM---is a fully differentiable dense simultaneous localization and mapping (SLAM) system. By enabling gradient computation through otherwise non-differentiable components such as nonlinear least squares optimization, ray casting, visual odometry, and dense mapping, gradSLAM opens up new avenues for integrating classical 3D reconstruction and deep learning. Our second contribution---taskography---proposes a task-conditioned sparsification of large 3D scenes encoded as 3D scene graphs. This enables classical planners to match (and surpass) state-of-the-art learning-based planners by focusing computation on task-relevant scene attributes. Our third and final contribution---gradSim---is a fully differentiable simulator that composes differentiable physics and graphics engines to enable physical parameter estimation and visuomotor control, solely from videos or a still image.

<p dir="ltr">The rapid development of machine learning techniques makes it possible to manipulate or synthesize video and audio information while introducing nearly indetectable artifacts. Most media forensics methods analyze the high-level data (e.g., pixels from videos, temporal signals from audios) decoded from compressed media data. Since media manipulation or synthesis methods usually aim to improve the quality of such high-level data directly, acquiring forensic evidence from these data has become increasingly challenging. In this work, we focus on media forensics techniques using the metadata in media formats, which includes container metadata and coding parameters in the encoded bitstream. Since many media manipulation and synthesis methods do not attempt to hide metadata traces, it is possible to use them for forensics tasks. First, we present a video forensics technique using metadata embedded in MP4/MOV video containers. Our proposed method achieved high performance in video manipulation detection, source device attribution, social media attribution, and manipulation tool identification on publicly available datasets. Second, we present a transformer neural network based MP3 audio forensics technique using low-level codec information. Our proposed method can localize multiple compressed segments in MP3 files. The localization accuracy of our proposed method is higher compared to other methods. Third, we present an H.264-based video device matching method. This method can determine if the two video sequences are captured by the same device even if the method has never encountered the device. Our proposed method achieved good performance in a three-fold cross validation scheme on a publicly available video forensics dataset containing 35 devices. Fourth, we present a Graph Neural Network (GNN) based approach for the analysis of MP4/MOV metadata trees. The proposed method is trained using Self-Supervised Learning (SSL), which increased the robustness of the proposed method and makes it capable of handling missing/unseen data. Fifth, we present an efficient approach to compute the spectrogram feature with MP3 compressed audio signals. The proposed approach decreases the complexity of speech feature computation by ~77.6% and saves ~37.87% of MP3 decoding time. The resulting spectrogram features lead to higher synthetic speech detection performance.</p>

Accurate estimation of voltage drop (IR drop), in Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) is a critical challenge, which impacts their performance and power consumption. As technology advances and die sizes shrink, predicting IR drop fast and accurate becomes increasingly challenging. This thesis focuses on exploring the application of Machine Learning (ML) algorithms, including Extreme Gradient Boosting (XGBoost), Convolutional Neural Network (CNN) and Graph Neural Network (GNN), to address this problem. Traditional methods of estimating IR drop using commercial tools are time consuming, especially for complex designs with millions of transistors. To overcome that, ML algorithms are investigated for their ability to provide fast and accurate IR drop estimation. This thesis utilizes electrical, timing and physical features of the ASIC design as input to train the ML models. The scalability of the selected features allows for their effective application across various ASIC designs with very few adjustments. Experimental results demonstrate the advantages of ML models over commercial tools, offering significant improvements in prediction speed. Notably, GNNs, such as Graph Convolutional Network (GCN) models showed promising performance with low prediction errors in voltage drop estimation. The incorporation of graph-structures models opens new fields of research for accurate IR drop prediction. The conclusions drawn emphasize the effectiveness of ML algorithms in accurately estimating IR drop, thereby optimizing ASIC design efficiency. The application of ML models enables faster predictions and noticeably reducing calculation time. This contributes to enhancing energy efficiency and minimizing environmental impact through optimised power circuits. Future work can focus on exploring the scalability of the models by training on a smaller portion of the circuit and extrapolating predictions to the entire design seems promising for more efficient and accurate IR drop estimation in complex ASIC designs. These advantages present new opportunities in the field and extend the capabilities of ML algorithms in the task of IR drop prediction. / Noggrann uppskattning av spänningsfallet (IR-fall), i ASIC är en kritisk utmaning som påverkar deras prestanda och strömförbrukning. När tekniken går framåt och formstorlekarna krymper, blir det allt svårare att förutsäga IR-fall snabbt och exakt. Denna avhandling fokuserar på att utforska tillämpningen av ML-algoritmer, inklusive XGBoost, CNN och GNN, för att lösa detta problem. Traditionella metoder för att uppskatta IR-fall med kommersiella verktyg är tidskrävande, särskilt för komplexa konstruktioner med miljontals transistorer. För att övervinna det undersöks ML-algoritmer för deras förmåga att ge snabb och exakt IR-falluppskattning. Denna avhandling använder elektriska, timing och fysiska egenskaper hos ASIC-designen som input för att träna ML-modellerna. Skalbarheten hos de valda funktionerna möjliggör deras effektiva tillämpning över olika ASIC-designer med mycket få justeringar. Experimentella resultat visar fördelarna med ML-modeller jämfört med kommersiella verktyg, och erbjuder betydande förbättringar i förutsägelsehastighet. Noterbart är att GNNs, såsom GCN-modeller, visade lovande prestanda med låga prediktionsfel vid uppskattning av spänningsfall. Införandet av grafstrukturmodeller öppnar nya forskningsfält för exakt IRfallförutsägelse. De slutsatser som dras betonar effektiviteten hos MLalgoritmer för att noggrant uppskatta IR-fall, och därigenom optimera ASICdesigneffektiviteten. Tillämpningen av ML-modeller möjliggör snabbare förutsägelser och märkbart minskad beräkningstid. Detta bidrar till att förbättra energieffektiviteten och minimera miljöpåverkan genom optimerade kraftkretsar. Framtida arbete kan fokusera på att utforska skalbarheten hos modellerna genom att träna på en mindre del av kretsen och att extrapolera förutsägelser till hela designen verkar lovande för mer effektiv och exakt IR-falluppskattning i komplexa ASIC-designer. Dessa fördelar ger nya möjligheter inom området och utökar kapaciteten hos ML-algoritmer i uppgiften att förutsäga IR-fall.