Cette thèse porte sur une classe d'algorithmes d'apprentissage appelés architectures profondes. Il existe des résultats qui indiquent que les représentations peu profondes et locales ne sont pas suffisantes pour la modélisation des fonctions comportant plusieurs facteurs de variation. Nous sommes particulièrement intéressés par ce genre de données car nous espérons qu'un agent intelligent sera en mesure d'apprendre à les modéliser automatiquement; l'hypothèse est que les architectures profondes sont mieux adaptées pour les modéliser. Les travaux de Hinton (2006) furent une véritable percée, car l'idée d'utiliser un algorithme d'apprentissage non-supervisé, les machines de Boltzmann restreintes, pour l'initialisation des poids d'un réseau de neurones supervisé a été cruciale pour entraîner l'architecture profonde la plus populaire, soit les réseaux de neurones artificiels avec des poids totalement connectés. Cette idée a été reprise et reproduite avec succès dans plusieurs contextes et avec une variété de modèles. Dans le cadre de cette thèse, nous considérons les architectures profondes comme des biais inductifs. Ces biais sont représentés non seulement par les modèles eux-mêmes, mais aussi par les méthodes d'entraînement qui sont souvent utilisés en conjonction avec ceux-ci. Nous désirons définir les raisons pour lesquelles cette classe de fonctions généralise bien, les situations auxquelles ces fonctions pourront être appliquées, ainsi que les descriptions qualitatives de telles fonctions. L'objectif de cette thèse est d'obtenir une meilleure compréhension du succès des architectures profondes. Dans le premier article, nous testons la concordance entre nos intuitions---que les réseaux profonds sont nécessaires pour mieux apprendre avec des données comportant plusieurs facteurs de variation---et les résultats empiriques. Le second article est une étude approfondie de la question: pourquoi l'apprentissage non-supervisé aide à mieux généraliser dans un réseau profond? Nous explorons et évaluons plusieurs hypothèses tentant d'élucider le fonctionnement de ces modèles. Finalement, le troisième article cherche à définir de façon qualitative les fonctions modélisées par un réseau profond. Ces visualisations facilitent l'interprétation des représentations et invariances modélisées par une architecture profonde. / This thesis studies a class of algorithms called deep architectures. We argue that models that are based on a shallow composition of local features are not appropriate for the set of real-world functions and datasets that are of interest to us, namely data with many factors of variation. Modelling such functions and datasets is important if we are hoping to create an intelligent agent that can learn from complicated data. Deep architectures are hypothesized to be a step in the right direction, as they are compositions of nonlinearities and can learn compact distributed representations of data with many factors of variation. Training fully-connected artificial neural networks---the most common form of a deep architecture---was not possible before Hinton (2006) showed that one can use stacks of unsupervised Restricted Boltzmann Machines to initialize or pre-train a supervised multi-layer network. This breakthrough has been influential, as the basic idea of using unsupervised learning to improve generalization in deep networks has been reproduced in a multitude of other settings and models. In this thesis, we cast the deep learning ideas and techniques as defining a special kind of inductive bias. This bias is defined not only by the kind of functions that are eventually represented by such deep models, but also by the learning process that is commonly used for them. This work is a study of the reasons for why this class of functions generalizes well, the situations where they should work well, and the qualitative statements that one could make about such functions. This thesis is thus an attempt to understand why deep architectures work. In the first of the articles presented we study the question of how well our intuitions about the need for deep models correspond to functions that they can actually model well. In the second article we perform an in-depth study of why unsupervised pre-training helps deep learning and explore a variety of hypotheses that give us an intuition for the dynamics of learning in such architectures. Finally, in the third article, we want to better understand what a deep architecture models, qualitatively speaking. Our visualization approach enables us to understand the representations and invariances modelled and learned by deeper layers.

Dans ce travail, nous explorons la faisabilité de doter les machines de la capacité de prédire, dans un contexte d'interaction homme-machine (IHM), l'émotion d'un utilisateur, ainsi que son intensité, de manière instantanée pour une grande variété de situations. Plus spécifiquement, une application a été développée, appelée machine émotionnelle, capable de «comprendre» la signification d'une situation en se basant sur le modèle théorique d'évaluation de l'émotion Ortony, Clore et Collins (OCC). Cette machine est apte, également, à prédire les réactions émotionnelles des utilisateurs, en combinant des versions améliorées des k plus proches voisins et des réseaux de neurones. Une procédure empirique a été réalisée pour l'acquisition des données. Ces dernières ont fourni une connaissance consistante aux algorithmes d'apprentissage choisis et ont permis de tester la performance de la machine. Les résultats obtenus montrent que la machine émotionnelle proposée est capable de produire de bonnes prédictions. Une telle réalisation pourrait encourager son utilisation future dans des domaines exploitant la reconnaissance automatique de l'émotion. / This work explores the feasibility of equipping computers with the ability to predict, in a context of a human computer interaction, the probable user’s emotion and its intensity for a wide variety of emotion-eliciting situations. More specifically, an online framework, the Emotional Machine, is developed enabling computers to «understand» situations using OCC model of emotion and to predict user’s reaction by combining refined versions of Artificial Neural Network and k Nearest Neighbours algorithms. An empirical procedure including a web-based anonymous questionnaire for data acquisition was designed to provide the chosen machine learning algorithms with a consistent knowledge and to test the application’s recognition performance. Results from the empirical investigation show that the proposed Emotional Machine is capable of producing accurate predictions. Such an achievement may encourage future using of our framework for automated emotion recognition in various application fields.

Dans le domaine des neurosciences computationnelles, l'hypothèse a été émise que le système visuel, depuis la rétine et jusqu'au cortex visuel primaire au moins, ajuste continuellement un modèle probabiliste avec des variables latentes, à son flux de perceptions. Ni le modèle exact, ni la méthode exacte utilisée pour l'ajustement ne sont connus, mais les algorithmes existants qui permettent l'ajustement de tels modèles ont besoin de faire une estimation conditionnelle des variables latentes. Cela nous peut nous aider à comprendre pourquoi le système visuel pourrait ajuster un tel modèle; si le modèle est approprié, ces estimé conditionnels peuvent aussi former une excellente représentation, qui permettent d'analyser le contenu sémantique des images perçues. Le travail présenté ici utilise la performance en classification d'images (discrimination entre des types d'objets communs) comme base pour comparer des modèles du système visuel, et des algorithmes pour ajuster ces modèles (vus comme des densités de probabilité) à des images. Cette thèse (a) montre que des modèles basés sur les cellules complexes de l'aire visuelle V1 généralisent mieux à partir d'exemples d'entraînement étiquetés que les réseaux de neurones conventionnels, dont les unités cachées sont plus semblables aux cellules simples de V1; (b) présente une nouvelle interprétation des modèles du système visuels basés sur des cellules complexes, comme distributions de probabilités, ainsi que de nouveaux algorithmes pour les ajuster à des données; et (c) montre que ces modèles forment des représentations qui sont meilleures pour la classification d'images, après avoir été entraînés comme des modèles de probabilités. Deux innovations techniques additionnelles, qui ont rendu ce travail possible, sont également décrites : un algorithme de recherche aléatoire pour sélectionner des hyper-paramètres, et un compilateur pour des expressions mathématiques matricielles, qui peut optimiser ces expressions pour processeur central (CPU) et graphique (GPU). / Computational neuroscientists have hypothesized that the visual system from the retina to at least primary visual cortex is continuously fitting a latent variable probability model to its stream of perceptions. It is not known exactly which probability model, nor exactly how the fitting takes place, but known algorithms for fitting such models require conditional estimates of the latent variables. This gives us a strong hint as to why the visual system might be fitting such a model; in the right kind of model those conditional estimates can also serve as excellent features for analyzing the semantic content of images perceived. The work presented here uses image classification performance (accurate discrimination between common classes of objects) as a basis for comparing visual system models, and algorithms for fitting those models as probability densities to images. This dissertation (a) finds that models based on visual area V1's complex cells generalize better from labeled training examples than conventional neural networks whose hidden units are more like V1's simple cells, (b) presents novel interpretations for complex-cell-based visual system models as probability distributions and novel algorithms for fitting them to data, and (c) demonstrates that these models form better features for image classification after they are first trained as probability models. Visual system models based on complex cells achieve some of the best results to date on the CIFAR-10 image classification benchmark, and samples from their probability distributions indicate that they have learnt to capture important aspects of natural images. Two auxiliary technical innovations that made this work possible are also described: a random search algorithm for selecting hyper-parameters, and an optimizing compiler for matrix-valued mathematical expressions which can target both CPU and GPU devices.

L’apprentissage machine est un vaste domaine où l’on cherche à apprendre les paramètres de modèles à partir de données concrètes. Ce sera pour effectuer des tâches demandant des aptitudes attribuées à l’intelligence humaine, comme la capacité à traiter des don- nées de haute dimensionnalité présentant beaucoup de variations. Les réseaux de neu- rones artificiels sont un exemple de tels modèles. Dans certains réseaux de neurones dits profonds, des concepts "abstraits" sont appris automatiquement. Les travaux présentés ici prennent leur inspiration de réseaux de neurones profonds, de réseaux récurrents et de neuroscience du système visuel. Nos tâches de test sont la classification et le débruitement d’images quasi binaires. On permettra une rétroac- tion où des représentations de haut niveau (plus "abstraites") influencent des représentations à bas niveau. Cette influence s’effectuera au cours de ce qu’on nomme relaxation, des itérations où les différents niveaux (ou couches) du modèle s’interinfluencent. Nous présentons deux familles d’architectures, l’une, l’architecture complètement connectée, pouvant en principe traiter des données générales et une autre, l’architecture convolutionnelle, plus spécifiquement adaptée aux images. Dans tous les cas, les données utilisées sont des images, principalement des images de chiffres manuscrits. Dans un type d’expérience, nous cherchons à reconstruire des données qui ont été corrompues. On a pu y observer le phénomène d’influence décrit précédemment en comparant le résultat avec et sans la relaxation. On note aussi certains gains numériques et visuels en terme de performance de reconstruction en ajoutant l’influence des couches supérieures. Dans un autre type de tâche, la classification, peu de gains ont été observés. On a tout de même pu constater que dans certains cas la relaxation aiderait à apprendre des représentations utiles pour classifier des images corrompues. L’architecture convolutionnelle développée, plus incertaine au départ, permet malgré tout d’obtenir des reconstructions numériquement et visuellement semblables à celles obtenues avec l’autre architecture, même si sa connectivité est contrainte. / Machine learning is a vast field where we seek to learn parameters for models from concrete data. The goal will be to execute various tasks requiring abilities normally associated more with human intelligence than with a computer program, such as the ability to process high dimensional data containing a lot of variations. Artificial neural networks are a large class of such models. In some neural networks said to be deep, we can observe that high level (or "abstract") concepts are automatically learned. The work we present here takes its inspiration from deep neural networks, from recurrent networks and also from neuroscience of the visual system. Our test tasks are classification and denoising for near binary images. We aim to take advantage of a feedback mechanism through which high-level representations, that is to say relatively abstract concepts, can influence lower-level representations. This influence will happen during what we call relaxation, which is iterations where the different levels (or layers) of the model can influence each other. We will present two families of architectures based on this mechanism. One, the fully connected architecture, can in principle accept generic data. The other, the convolutional one, is specifically made for images. Both were trained on images, though, and mostly images of written characters. In one type of experiment, we want to reconstruct data that has been corrupted. In these tasks, we have observed the feedback influence phenomenon previously described by comparing the results we obtained with and without relaxation. We also note some numerical and visual improvement in terms of reconstruction performance when we add upper layers’ influence. In another type of task, classification, little gain has been noted. Still, in one setting where we tried to classify noisy data with a representation trained without prior class information, relaxation did seem to improve results significantly. The convolutional architecture, a bit more risky at first, was shown to produce numerical and visual results in reconstruction that are near those obtained with the fully connected version, even though the connectivity is much more constrained.

Les humains communiquent via différents types de canaux: les mots, la voix, les gestes du corps, des émotions, etc. Pour cette raison, un ordinateur doit percevoir ces divers canaux de communication pour pouvoir interagir intelligemment avec les humains, par exemple en faisant usage de microphones et de webcams. Dans cette thèse, nous nous intéressons à déterminer les émotions humaines à partir d’images ou de vidéo de visages afin d’ensuite utiliser ces informations dans différents domaines d’applications. Ce mémoire débute par une brève introduction à l'apprentissage machine en s’attardant aux modèles et algorithmes que nous avons utilisés tels que les perceptrons multicouches, réseaux de neurones à convolution et autoencodeurs. Elle présente ensuite les résultats de l'application de ces modèles sur plusieurs ensembles de données d'expressions et émotions faciales. Nous nous concentrons sur l'étude des différents types d’autoencodeurs (autoencodeur débruitant, autoencodeur contractant, etc) afin de révéler certaines de leurs limitations, comme la possibilité d'obtenir de la coadaptation entre les filtres ou encore d’obtenir une courbe spectrale trop lisse, et étudions de nouvelles idées pour répondre à ces problèmes. Nous proposons également une nouvelle approche pour surmonter une limite des autoencodeurs traditionnellement entrainés de façon purement non-supervisée, c'est-à-dire sans utiliser aucune connaissance de la tâche que nous voulons finalement résoudre (comme la prévision des étiquettes de classe) en développant un nouveau critère d'apprentissage semi-supervisé qui exploite un faible nombre de données étiquetées en combinaison avec une grande quantité de données non-étiquetées afin d'apprendre une représentation adaptée à la tâche de classification, et d'obtenir une meilleure performance de classification. Finalement, nous décrivons le fonctionnement général de notre système de détection d'émotions et proposons de nouvelles idées pouvant mener à de futurs travaux. / Humans communicate via different types of channels: words, voice, body gesture, emotions …etc. For this reason, implementing these channels in computers is inevitable to make them interact intelligently with humans. Using a webcam and a microphone, computers should figure out what we want to tell from our voice, gesture and face emotions. In this thesis we are interested in figuring human emotions from their images or video in order to use that later in different applications. The thesis starts by giving an introduction to machine learning and some of the models and algorithms we used like multilayer perceptron, convolutional neural networks, autoencoders and finally report the results of applying these models on several facial emotion expression datasets. We moreover concentrate on studying different kinds of autoencoders (Denoising Autoencoder , Contractive Autoencoder, …etc.) and identify some limitations like the possibility of obtaining filters co-adaptation and undesirably smooth spectral curve and we investigate new ideas to address these problems. We also overcome the limitations of training autoencoders in a purely unsupervised manner, i.e. without using any knowledge of task we ultimately want to solve (such as predicting class labels) and develop a new semi-supervised training criterion which exploits the knowledge of the few labeled data to train the autoencoder together with a large amount of unlabeled data in order to learn a representation better suited for the classification task, and obtain better classification performance. Finally, we describe the general pipeline for our emotion detection system and suggest new ideas for future work.

In this thesis, we study advanced reasoning about dynamical systems in a logical framework -- the situation calculus. In particular, we consider promoting the efficiency of reasoning about action in the situation calculus from three different aspects. First, we propose a modified situation calculus based on the two-variable predicate logic with counting quantifiers. We show that solving the projection and executability problems via regression in such language are decidable. We prove that generally these two problems are co-NExpTime-complete in the modified language. We also consider restricting the format of regressable formulas and basic action theories (BATs) further to gain better computational complexity for reasoning about action via regression. We mention possible applications to formalization of Semantic Web services. Then, we propose a hierarchical representation of actions based on the situation calculus to facilitate development, maintenance and elaboration of very large taxonomies of actions. We show that our axioms can be more succinct, while still using an extended regression operator to solve the projection problem. Moreover, such representation has significant computational advantages. For taxonomies of actions that can be represented as finitely branching trees, the regression operator can sometimes work exponentially faster with our theories than it works with the BATs current situation calculus. We also propose a general guideline on how a taxonomy of actions can be constructed from the given set of effect axioms. Finally, we extend the current situation calculus with the order-sorted logic. In the new formalism, we add sort theories to the usual initial theories to describe taxonomies of objects. We then investigate what is the well-sortness for BATs under such framework. We consider extending the current regression operator with well-sortness checking and unification techniques. With the modified regression, we gain computational efficiency by terminating the regression earlier when reasoning tasks are ill-sorted and by reducing the search spaces for well-sorted objects. We also study that the connection between the order-sorted situation calculus and the current situation calculus.

L'ère numérique dans laquelle nous sommes entrés apporte une quantité importante de nouveaux défis à relever dans une multitude de domaines. Le traitement automatique de l'abondante information à notre disposition est l'un de ces défis, et nous allons ici nous pencher sur des méthodes et techniques adaptées au filtrage et à la recommandation à l'utilisateur d'articles adaptés à ses goûts, dans le contexte particulier et sans précédent notable du jeu vidéo multi-joueurs en ligne. Notre objectif est de prédire l'appréciation des niveaux par les joueurs. Au moyen d'algorithmes d'apprentissage machine modernes tels que les réseaux de neurones profonds avec pré-entrainement non-supervisé, que nous décrivons après une introduction aux concepts nécessaires à leur bonne compréhension, nous proposons deux architectures aux caractéristiques différentes bien que basées sur ce même concept d'apprentissage profond. La première est un réseau de neurones multi-couches pour lequel nous tentons d'expliquer les performances variables que nous rapportons sur les expériences menées pour diverses variations de profondeur, d'heuristique d'entraînement, et des méthodes de pré-entraînement non-supervisé simple, débruitant et contractant. Pour la seconde architecture, nous nous inspirons des modèles à énergie et proposons de même une explication des résultats obtenus, variables eux aussi. Enfin, nous décrivons une première tentative fructueuse d'amélioration de cette seconde architecture au moyen d'un fine-tuning supervisé succédant le pré-entrainement, puis une seconde tentative où ce fine-tuning est fait au moyen d'un critère d'entraînement semi-supervisé multi-tâches. Nos expériences montrent des performances prometteuses, notament avec l'architecture inspirée des modèles à énergie, justifiant du moins l'utilisation d'algorithmes d'apprentissage profonds pour résoudre le problème de la recommandation. / The age of information in which we have entered brings with it a whole new set of challenges to take up in many different fields. Making computers process this profuse information is one such challenge, and this thesis focuses on techniques adapted for automatically filtering and recommending to users items that will fit their tastes, in the somehow original context of an online multi-player game. Our objective is to predict players' ratings of the game's levels. We first introduce machine learning concepts necessary to understand the two architectures we then describe; both of which taking advantage of deep learning and unsupervised pre-training concepts to solve the recommendation problem. The first architecture is a multilayered neural network for which we try to explain different performances we get for different settings of depth, training heuristics and unsupervised pre-training methods, namely, straight, denoising and contrative auto-encoders. The second architecture we explore takes its roots in energy-based models. We give possible explanations for the various results it yields depending on the configurations we experimented with. Finally, we describe two successful improvements on this second architecture. The former is a supervised fine-tuning taking place after the unsupervised pre-training, and the latter is a tentative improvement of the fine-tuning phase by using a multi-tasking training criterion. Our experiments show promising results, especially with the architecture inspired from energy-based models, justifying the use of deep learning algorithms to solve the recommendation problem.

Un système multi-agents est composé de plusieurs agents autonomes qui interagissent entre eux dans un environnement commun. Ce mémoire vise à démontrer l’utilisation d’un système multi-agents pour le développement d’un jeu vidéo. Tout d’abord, une justification du choix des concepts d’intelligence artificielle choisie est exposée. Par la suite, une approche pratique est utilisée en effectuant le développement d’un jeu vidéo. Pour ce faire, le jeu fut développé à partir d’un jeu vidéo mono-agent existant et mo- difié en système multi-agents afin de bien mettre en valeur les avantages d’un système multi-agents dans un jeu vidéo. Le développement de ce jeu a aussi démontré l’applica- tion d’autres concepts en intelligence artificielle comme la recherche de chemins et les arbres de décisions. Le jeu développé pour ce mémoire viens appuyer les conclusions des différentes recherches démontrant que l’utilisation d’un système multi-agents per- met de réaliser un comportement plus réaliste pour les joueurs non humains et bien plus compétitifs pour le joueur humain. / A multi-agent system is composed of several autonomous agents that interact with each other in a common environment. This thesis aims to demonstrate the use of a multi- agent system for the development of a video game. First, a justification of the artificial intelligence’s concepts used in this master’s thesis is exposed. Subsequently, a practical approach is used in developping a video game. To do this, the game was developed from an existing single-agent video game and modified into a multi-agent system in order to properly highlight the benefits of a multi-agent system in a video game. The development of this game also demonstrate the application of other concepts in artificial intelligence such as pathfindinig and behaviour trees. In summary, the use of a multi- agent system has achieved a more realistic behavior for the non-human players and a more competitive gameplay for the human player.

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