La liste des domaines touchés par l’apprentissage machine s’allonge rapidement. Au fur et à mesure que la quantité de données disponibles augmente, le développement d’algorithmes d’apprentissage de plus en plus puissants est crucial. Ce mémoire est constitué de trois parties: d’abord un survol des concepts de bases de l’apprentissage automatique et les détails nécessaires pour l’entraînement de réseaux de neurones, modèles qui se livrent bien à des architectures profondes. Ensuite, le premier article présente une application de l’apprentissage machine aux jeux vidéos, puis une méthode de mesure performance pour ceux-ci en tant que politique de décision. Finalement, le deuxième article présente des résultats théoriques concernant l’entraînement d’architectures profondes nonsupervisées. Les jeux vidéos sont un domaine particulièrement fertile pour l’apprentissage automatique: il estf facile d’accumuler d’importantes quantités de données, et les applications ne manquent pas. La formation d’équipes selon un critère donné est une tˆache commune pour les jeux en lignes. Le premier article compare différents algorithmes d’apprentissage à des réseaux de neurones profonds appliqués à la prédiction de la balance d’un match. Ensuite nous présentons une méthode par simulation pour évaluer les modèles ainsi obtenus utilisés dans le cadre d’une politique de décision en ligne. Dans un deuxième temps nous présentons une nouvelleméthode pour entraîner des modèles génératifs. Des résultats théoriques nous indiquent qu’il est possible d’entraîner par rétropropagation des modèles non-supervisés pouvant générer des échantillons qui suivent la distribution des données. Ceci est un résultat pertinent dans le cadre de la récente littérature scientifique investiguant les propriétés des autoencodeurs comme modèles génératifs. Ces résultats sont supportés avec des expériences qualitatives préliminaires ainsi que quelques résultats quantitatifs. / The list of areas affected by machine learning is growing rapidly. As the amount of available training data increases, the development of more powerful learning algorithms is crucial. This thesis consists of three parts: first an overview of the basic concepts of machine learning and the details necessary for training neural networks, models that lend themselves well to deep architectures. The second part presents an application of machine learning to online video games, and a performance measurement method when using these models as decision policies. Finally, the third section presents theoretical results for unsupervised training of deep architectures. Video games are a particularly fertile area for machine learning: it is easy to accumulate large amounts of data, and many tasks are possible. Assembling teams of equal skill is a common machine learning application for online games. The first paper compares different learning algorithms against deep neural networks applied to the prediction of match balance in online games. We then present a simulation based method to evaluate the resulting models used as decision policies for online matchmaking. Following this we present a new method to train generative models. Theoretical results indicate that it is possible to train by backpropagation unsupervised models that can generate samples following the data’s true distribution. This is a relevant result in the context of the recent literature investigating the properties of autoencoders as generative models. These results are supported with preliminary quantitative results and some qualitative experiments.

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.

Il est avant-tout question, dans ce mémoire, de la modélisation du timbre grâce à des algorithmes d'apprentissage machine. Plus précisément, nous avons essayé de construire un espace de timbre en extrayant des caractéristiques du son à l'aide de machines de Boltzmann convolutionnelles profondes. Nous présentons d'abord un survol de l'apprentissage machine, avec emphase sur les machines de Boltzmann convolutionelles ainsi que les modèles dont elles sont dérivées. Nous présentons aussi un aperçu de la littérature concernant les espaces de timbre, et mettons en évidence quelque-unes de leurs limitations, dont le nombre limité de sons utilisés pour les construire. Pour pallier à ce problème, nous avons mis en place un outil nous permettant de générer des sons à volonté. Le système utilise à sa base des plug-ins qu'on peut combiner et dont on peut changer les paramètres pour créer une gamme virtuellement infinie de sons. Nous l'utilisons pour créer une gigantesque base de donnée de timbres générés aléatoirement constituée de vrais instruments et d'instruments synthétiques. Nous entrainons ensuite les machines de Boltzmann convolutionnelles profondes de façon non-supervisée sur ces timbres, et utilisons l'espace des caractéristiques produites comme espace de timbre. L'espace de timbre ainsi obtenu est meilleur qu'un espace semblable construit à l'aide de MFCC. Il est meilleur dans le sens où la distance entre deux timbres dans cet espace est plus semblable à celle perçue par un humain. Cependant, nous sommes encore loin d'atteindre les mêmes capacités qu'un humain. Nous proposons d'ailleurs quelques pistes d'amélioration pour s'en approcher. / This thesis presents a novel way of modelling timbre using machine learning algorithms. More precisely, we have attempted to build a timbre space by extracting audio features using deep-convolutional Boltzmann machines. We first present an overview of machine learning with an emphasis on convolutional Boltzmann machines as well as models from which they are derived. We also present a summary of the literature relevant to timbre spaces and highlight their limitations, such as the small number of timbres used to build them. To address this problem, we have developed a sound generation tool that can generate as many sounds as we wish. At the system's core are plug-ins that are parameterizable and that we can combine to create a virtually infinite range of sounds. We use it to build a massive randomly generated timbre dataset that is made up of real and synthesized instruments. We then train deep-convolutional Boltzmann machines on those timbres in an unsupervised way and use the produced feature space as a timbre space. The timbre space we obtain is a better space than a similar space built using MFCCs. We consider it as better in the sense that the distance between two timbres in that space is more similar to the one perceived by a human listener. However, we are far from reaching the performance of a human. We finish by proposing possible improvements that could be tried to close our performance gap.

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.

Il est avant-tout question, dans ce mémoire, de la modélisation du timbre grâce à des algorithmes d'apprentissage machine. Plus précisément, nous avons essayé de construire un espace de timbre en extrayant des caractéristiques du son à l'aide de machines de Boltzmann convolutionnelles profondes. Nous présentons d'abord un survol de l'apprentissage machine, avec emphase sur les machines de Boltzmann convolutionelles ainsi que les modèles dont elles sont dérivées. Nous présentons aussi un aperçu de la littérature concernant les espaces de timbre, et mettons en évidence quelque-unes de leurs limitations, dont le nombre limité de sons utilisés pour les construire. Pour pallier à ce problème, nous avons mis en place un outil nous permettant de générer des sons à volonté. Le système utilise à sa base des plug-ins qu'on peut combiner et dont on peut changer les paramètres pour créer une gamme virtuellement infinie de sons. Nous l'utilisons pour créer une gigantesque base de donnée de timbres générés aléatoirement constituée de vrais instruments et d'instruments synthétiques. Nous entrainons ensuite les machines de Boltzmann convolutionnelles profondes de façon non-supervisée sur ces timbres, et utilisons l'espace des caractéristiques produites comme espace de timbre. L'espace de timbre ainsi obtenu est meilleur qu'un espace semblable construit à l'aide de MFCC. Il est meilleur dans le sens où la distance entre deux timbres dans cet espace est plus semblable à celle perçue par un humain. Cependant, nous sommes encore loin d'atteindre les mêmes capacités qu'un humain. Nous proposons d'ailleurs quelques pistes d'amélioration pour s'en approcher. / This thesis presents a novel way of modelling timbre using machine learning algorithms. More precisely, we have attempted to build a timbre space by extracting audio features using deep-convolutional Boltzmann machines. We first present an overview of machine learning with an emphasis on convolutional Boltzmann machines as well as models from which they are derived. We also present a summary of the literature relevant to timbre spaces and highlight their limitations, such as the small number of timbres used to build them. To address this problem, we have developed a sound generation tool that can generate as many sounds as we wish. At the system's core are plug-ins that are parameterizable and that we can combine to create a virtually infinite range of sounds. We use it to build a massive randomly generated timbre dataset that is made up of real and synthesized instruments. We then train deep-convolutional Boltzmann machines on those timbres in an unsupervised way and use the produced feature space as a timbre space. The timbre space we obtain is a better space than a similar space built using MFCCs. We consider it as better in the sense that the distance between two timbres in that space is more similar to the one perceived by a human listener. However, we are far from reaching the performance of a human. We finish by proposing possible improvements that could be tried to close our performance gap.

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