Parmi tous les jeux de société joués par les humains au cours de l’histoire, le jeu de go était considéré comme l’un des plus difficiles à maîtriser par un programme informatique [Van Den Herik et al., 2002]; Jusqu’à ce que ce ne soit plus le cas [Silveret al., 2016]. Cette percée révolutionnaire [Müller, 2002, Van Den Herik et al., 2002] fût le fruit d’une combinaison sophistiquée de Recherche arborescente Monte-Carlo et de techniques d’apprentissage automatique pour évaluer les positions du jeu, mettant en lumière le grand potentiel de l’apprentissage automatique pour résoudre des jeux. L’apprentissage antagoniste, un cas particulier de l’optimisation multiobjective, est un outil de plus en plus utile dans l’apprentissage automatique. Par exemple, les jeux à deux joueurs et à somme nulle sont importants dans le domain des réseaux génératifs antagonistes [Goodfellow et al., 2014] ainsi que pour maîtriser des jeux comme le Go ou le Poker en s’entraînant contre lui-même [Silver et al., 2017, Brown andSandholm, 2017]. Un résultat classique de la théorie des jeux indique que les jeux convexes-concaves ont toujours un équilibre [Neumann, 1928]. Étonnamment, les praticiens en apprentissage automatique entrainent avec succès une seule paire de réseaux de neurones dont l’objectif est un problème de minimax non-convexe et non-concave alors que pour une telle fonction de gain, l’existence d’un équilibre de Nash n’est pas garantie en général. Ce travail est une tentative d'établir une solide base théorique pour l’apprentissage dans les jeux. La première contribution explore le théorème minimax pour une classe particulière de jeux non-convexes et non-concaves qui englobe les réseaux génératifs antagonistes. Cette classe correspond à un ensemble de jeux à deux joueurs et a somme nulle joués avec des réseaux de neurones. Les deuxième et troisième contributions étudient l’optimisation des problèmes minimax, et plus généralement, les inégalités variationnelles dans le cadre de l’apprentissage automatique. Bien que la méthode standard de descente de gradient ne parvienne pas à converger vers l’équilibre de Nash de jeux convexes-concaves simples, il existe des moyens d’utiliser des gradients pour obtenir des méthodes qui convergent. Nous étudierons plusieurs techniques telles que l’extrapolation, la moyenne et la quantité de mouvement à paramètre négatif. La quatrième contribution fournit une étude empirique du comportement pratique des réseaux génératifs antagonistes. Dans les deuxième et troisième contributions, nous diagnostiquons que la méthode du gradient échoue lorsque le champ de vecteur du jeu est fortement rotatif. Cependant, une telle situation peut décrire un pire des cas qui ne se produit pas dans la pratique. Nous fournissons de nouveaux outils de visualisation afin d’évaluer si nous pouvons détecter des rotations dans comportement pratique des réseaux génératifs antagonistes. / Among all the historical board games played by humans, the game of go was considered one of the most difficult to master by a computer program [Van Den Heriket al., 2002]; Until it was not [Silver et al., 2016]. This odds-breaking break-through [Müller, 2002, Van Den Herik et al., 2002] came from a sophisticated combination of Monte Carlo tree search and machine learning techniques to evaluate positions, shedding light upon the high potential of machine learning to solve games. Adversarial training, a special case of multiobjective optimization, is an increasingly useful tool in machine learning. For example, two-player zero-sum games are important for generative modeling (GANs) [Goodfellow et al., 2014] and mastering games like Go or Poker via self-play [Silver et al., 2017, Brown and Sandholm,2017]. A classic result in Game Theory states that convex-concave games always have an equilibrium [Neumann, 1928]. Surprisingly, machine learning practitioners successfully train a single pair of neural networks whose objective is a nonconvex-nonconcave minimax problem while for such a payoff function, the existence of a Nash equilibrium is not guaranteed in general. This work is an attempt to put learning in games on a firm theoretical foundation. The first contribution explores minimax theorems for a particular class of nonconvex-nonconcave games that encompasses generative adversarial networks. The proposed result is an approximate minimax theorem for two-player zero-sum games played with neural networks, including WGAN, StarCrat II, and Blotto game. Our findings rely on the fact that despite being nonconcave-nonconvex with respect to the neural networks parameters, the payoff of these games are concave-convex with respect to the actual functions (or distributions) parametrized by these neural networks. The second and third contributions study the optimization of minimax problems, and more generally, variational inequalities in the context of machine learning. While the standard gradient descent-ascent method fails to converge to the Nash equilibrium of simple convex-concave games, there exist ways to use gradients to obtain methods that converge. We investigate several techniques such as extrapolation, averaging and negative momentum. We explore these techniques experimentally by proposing a state-of-the-art (at the time of publication) optimizer for GANs called ExtraAdam. We also prove new convergence results for Extrapolation from the past, originally proposed by Popov [1980], as well as for gradient method with negative momentum. The fourth contribution provides an empirical study of the practical landscape of GANs. In the second and third contributions, we diagnose that the gradient method breaks when the game’s vector field is highly rotational. However, such a situation may describe a worst-case that does not occur in practice. We provide new visualization tools in order to exhibit rotations in practical GAN landscapes. In this contribution, we show empirically that the training of GANs exhibits significant rotations around Local Stable Stationary Points (LSSP), and we provide empirical evidence that GAN training converges to a stable stationary point, which is a saddle point for the generator loss, not a minimum, while still achieving excellent performance.

Hlavným zámerom tejto diplomovej práce bola automatická segmentácia lézií sklerózy multiplex na snímkoch MRI. V rámci práce boli otestované najnovšie metódy segmentácie s využitím hlbokých neurónových sietí a porovnané prístupy inicializácie váh sietí pomocou preneseného učenia (transfer learning) a samoriadeného učenia (self-supervised learning). Samotný problém automatickej segmentácie lézií sklerózy multiplex je veľmi náročný, a to primárne kvôli vysokej nevyváženosti datasetu (skeny mozgov zvyčajne obsahujú len malé množstvo poškodeného tkaniva). Ďalšou výzvou je manuálna anotácia týchto lézií, nakoľko dvaja rozdielni doktori môžu označiť iné časti mozgu ako poškodené a hodnota Dice Coefficient týchto anotácií je približne 0,86. Možnosť zjednodušenia procesu anotovania lézií automatizáciou by mohlo zlepšiť výpočet množstva lézií, čo by mohlo viesť k zlepšeniu diagnostiky individuálnych pacientov. Našim cieľom bolo navrhnutie dvoch techník využívajúcich transfer learning na predtrénovanie váh, ktoré by neskôr mohli zlepšiť výsledky terajších segmentačných modelov. Teoretická časť opisuje rozdelenie umelej inteligencie, strojového učenia a hlbokých neurónových sietí a ich využitie pri segmentácii obrazu. Následne je popísaná skleróza multiplex, jej typy, symptómy, diagnostika a liečba. Praktická časť začína predspracovaním dát. Najprv boli skeny mozgu upravené na rovnaké rozlíšenie s rovnakou veľkosťou voxelu. Dôvodom tejto úpravy bolo využitie troch odlišných datasetov, v ktorých boli skeny vytvárané rozličnými prístrojmi od rôznych výrobcov. Jeden dataset taktiež obsahoval lebku, a tak bolo nutné jej odstránenie pomocou nástroju FSL pre ponechanie samotného mozgu pacienta. Využívali sme 3D skeny (FLAIR, T1 a T2 modality), ktoré boli postupne rozdelené na individuálne 2D rezy a použité na vstup neurónovej siete s enkodér-dekodér architektúrou. Dataset na trénovanie obsahoval 6720 rezov s rozlíšením 192 x 192 pixelov (po odstránení rezov, ktorých maska neobsahovala žiadnu hodnotu). Využitá loss funkcia bola Combo loss (kombinácia Dice Loss s upravenou Cross-Entropy). Prvá metóda sa zameriavala na využitie predtrénovaných váh z ImageNet datasetu na enkodér U-Net architektúry so zamknutými váhami enkodéra, resp. bez zamknutia a následného porovnania s náhodnou inicializáciou váh. V tomto prípade sme použili len FLAIR modalitu. Transfer learning dokázalo zvýšiť sledovanú metriku z hodnoty približne 0,4 na 0,6. Rozdiel medzi zamknutými a nezamknutými váhami enkodéru sa pohyboval okolo 0,02. Druhá navrhnutá technika používala self-supervised kontext enkodér s Generative Adversarial Networks (GAN) na predtrénovanie váh. Táto sieť využívala všetky tri spomenuté modality aj s prázdnymi rezmi masiek (spolu 23040 obrázkov). Úlohou GAN siete bolo dotvoriť sken mozgu, ktorý bol prekrytý čiernou maskou v tvare šachovnice. Takto naučené váhy boli následne načítané do enkodéru na aplikáciu na náš segmentačný problém. Tento experiment nevykazoval lepšie výsledky, s hodnotou DSC 0,29 a 0,09 (nezamknuté a zamknuté váhy enkodéru). Prudké zníženie metriky mohlo byť spôsobené použitím predtrénovaných váh na vzdialených problémoch (segmentácia a self-supervised kontext enkodér), ako aj zložitosť úlohy kvôli nevyváženému datasetu.

Artificial intelligence (AI) has been seeing a great amount of hype around it for a few years but more so now in the field of diagnostic medical imaging. AI-based diagnoses have shown improvements in detecting the smallest abnormalities present in tumors and lesions. This can tremendously help public healthcare. There is a large amount of data present in the field of biomedical imaging with the hospitals but only a small amount is available for the use of research due to data and privacy protection. The task of manually segmenting tumors in this magnetic resonance imaging (MRI) can be quite expensive and time taking. This segmentation and classification would need high precision which is usually performed by medical experts that follow clinical medical standards. Due to this small amount of data when used with machine learning models, the trained models tend to overfit. With advancing deep learning techniques it is possible to generate images using Generative Adversarial Networks (GANs). GANs has garnered a heap of attention towards itself for its power to produce realistic-looking images, videos, and audios. This thesis aims to use the synthetic images generated by progressive growing GANs (PGGAN) along with real images to perform segmentation on brain tumor MRI. The idea is to investigate whether the addition of this synthetic data improves the segmentation significantly or not. To analyze the quality of the images produced by the PGGAN, Multi-scale Similarity Index Measure (MS-SSIM) and Sliced Wasserstein Distance (SWD) are recorded. To exam-ine the segmentation performance, Dice Similarity Coefficient (DSC) and accuracy scores are observed. To inspect if the improved performance by synthetic images is significant or not, a parametric paired t-test and non-parametric permutation test are used. It could be seen that the addition of synthetic images with real images is significant for most cases in comparison to using only real images. However, this addition of synthetic images makes the model uncertain. The models’ robustness is tested using training-free uncertainty estimation of neural networks.

L’apprentissage automatique repose pour un bon nombre de problèmes sur la minimisation d’une fonction de coût, pour ce faire il tire parti de la vaste littérature sur l’optimisation qui fournit des algorithmes et des garanties de convergences pour ce type de problèmes. Cependant récemment plusieurs modèles d’apprentissage automatique qui ne peuvent pas être formulé comme la minimisation d’un coût unique ont été propose, à la place ils nécessitent de définir un jeu entre plusieurs joueurs qui ont chaque leur propre objectif. Un de ces modèles sont les réseaux antagonistes génératifs (GANs). Ce modèle génératif formule un jeu entre deux réseaux de neurones, un générateur et un discriminateur, en essayant de tromper le discriminateur qui essaye de distinguer les vraies images des fausses, le générateur et le discriminateur s’améliore résultant en un équilibre de Nash, ou les images produites par le générateur sont indistinguable des vraies images. Malgré leur succès les GANs restent difficiles à entrainer à cause de la nature antagoniste du jeu, nécessitant de choisir les bons hyperparamètres et résultant souvent en une dynamique d’entrainement instable. Plusieurs techniques de régularisations ont été propose afin de stabiliser l’entrainement, dans cette thèse nous abordons ces instabilités sous l’angle d’un problème d’optimisation. Nous commençons par combler le fossé entre la littérature d’optimisation et les GANs, pour ce faire nous formulons GANs comme un problème d’inéquation variationnelle, et proposons de la littérature sur le sujet pour proposer des algorithmes qui convergent plus rapidement. Afin de mieux comprendre quels sont les défis de l’optimisation des jeux, nous proposons plusieurs outils afin d’analyser le paysage d’optimisation des GANs. En utilisant ces outils, nous montrons que des composantes rotationnelles sont présentes dans le voisinage des équilibres, nous observons également que les GANs convergent rarement vers un équilibre de Nash mais converge plutôt vers des équilibres stables locaux (LSSP). Inspirer par le succès des GANs nous proposons pour finir, une nouvelle famille de jeux que nous appelons adversarial example games qui consiste à entrainer simultanément un générateur et un critique, le générateur cherchant à perturber les exemples afin d’induire en erreur le critique, le critique cherchant à être robuste aux perturbations. Nous montrons qu’à l’équilibre de ce jeu, le générateur est capable de générer des perturbations qui transfèrent à toute une famille de modèles. / Many machine learning (ML) problems can be formulated as minimization problems, with a large optimization literature that provides algorithms and guarantees to solve this type of problems. However, recently some ML problems have been proposed that cannot be formulated as minimization problems but instead require to define a game between several players where each player has a different objective. A successful application of such games in ML are generative adversarial networks (GANs), where generative modeling is formulated as a game between a generator and a discriminator, where the goal of the generator is to fool the discriminator, while the discriminator tries to distinguish between fake and real samples. However due to the adversarial nature of the game, GANs are notoriously hard to train, requiring careful fine-tuning of the hyper-parameters and leading to unstable training. While regularization techniques have been proposed to stabilize training, we propose in this thesis to look at these instabilities from an optimization perspective. We start by bridging the gap between the machine learning and optimization literature by casting GANs as an instance of the Variational Inequality Problem (VIP), and leverage the large literature on VIP to derive more efficient and stable algorithms to train GANs. To better understand what are the challenges of training GANs, we then propose tools to study the optimization landscape of GANs. Using these tools we show that GANs do suffer from rotation around their equilibrium, and that they do not converge to Nash-Equilibria. Finally inspired by the success of GANs to generate images, we propose a new type of games called Adversarial Example Games that are able to generate adversarial examples that transfer across different models and architectures.

4D Imaging Radar is increasingly becoming a critical component in various industries due to beamforming technology and hardware advancements. However, it does not replace visual data in the form of 2D images captured by an RGB camera. Instead, 4D radar point clouds are a complementary data source that captures spatial information and velocity in a Doppler dimension that cannot be easily captured by a camera's view alone. Some discriminative features of the scene captured by the two sensors are hypothesized to have a shared representation. Therefore, a more interpretable visualization of the radar output can be obtained by learning a mapping from the empirical distribution of the radar to the distribution of images captured by the camera. To this end, the application of deep generative models to generate images conditioned on 4D radar data is explored. Two approaches that have become state-of-the-art in recent years are tested, generative adversarial networks and diffusion models. They are compared qualitatively through visual inspection and by two quantitative metrics: mean squared error and object detection count. It is found that it is easier to control the generative adversarial network's generative process through conditioning than in a diffusion process. In contrast, the diffusion model produces samples of higher quality and is more stable to train. Furthermore, their combination results in a hybrid sampling method, achieving the best results while simultaneously speeding up the diffusion process. / 4D bildradar får en alltmer betydande roll i olika industrier tack vare utveckling inom strålformningsteknik och hårdvara. Det ersätter dock inte visuell data i form av 2D-bilder som fångats av en RGB-kamera. Istället utgör 4D radar-punktmoln en kompletterande datakälla som representerar spatial information och hastighet i form av en Doppler-dimension. Det antas att vissa beskrivande egenskaper i den observerade miljön har en abstrakt representation som de två sensorerna delar. Därmed kan radar-datan visualiseras mer intuitivt genom att lära en transformation från fördelningen över radar-datan till fördelningen över bilderna. I detta syfte utforskas tillämpningen av djupa generativa modeller för bilder som är betingade av 4D radar-data. Två metoder som har blivit state-of-the-art de senaste åren testas: generativa antagonistiska nätverk och diffusionsmodeller. De jämförs kvalitativt genom visuell inspektion och med kvantitativa metriker: medelkvadratfelet och antalet korrekt detekterade objekt i den genererade bilden. Det konstateras att det är lättare att styra den generativa processen i generativa antagonistiska nätverk genom betingning än i en diffusionsprocess. Å andra sidan är diffusionsmodellen stabil att träna och producerar generellt bilder av högre kvalité. De bästa resultaten erhålls genom en hybrid: båda metoderna kombineras för att dra nytta av deras respektive styrkor. de identifierade begränsningarna i de enskilda modellerna och kurera datan för att jämföra hur dessa modeller skalar med större datamängder och mer variation.

Data augmentation is a technique that can be performed in various ways to improve the training of discriminative models. The recent developments in deep generative models offer new ways of augmenting existing data sets. In this thesis, a framework for augmenting annotated data sets with deep generative models is proposed together with a method for quantitatively evaluating the quality of the generated data sets. Using this framework, two data sets for pupil localization was generated with different generative models, including both well-established models and a novel model proposed for this purpose. The unique model was shown both qualitatively and quantitatively to generate the best data sets. A set of smaller experiments on standard data sets also revealed cases where this generative model could improve the performance of an existing discriminative model. The results indicate that generative models can be used to augment or replace existing data sets when training discriminative models. / Dataaugmentering är en teknik som kan utföras på flera sätt för att förbättra träningen av diskriminativa modeller. De senaste framgångarna inom djupa generativa modeller har öppnat upp nya sätt att augmentera existerande dataset. I detta arbete har ett ramverk för augmentering av annoterade dataset med hjälp av djupa generativa modeller föreslagits. Utöver detta så har en metod för kvantitativ evaulering av kvaliteten hos genererade data set tagits fram. Med hjälp av detta ramverk har två dataset för pupillokalisering genererats med olika generativa modeller. Både väletablerade modeller och en ny modell utvecklad för detta syfte har testats. Den unika modellen visades både kvalitativt och kvantitativt att den genererade de bästa dataseten. Ett antal mindre experiment på standardiserade dataset visade exempel på fall där denna generativa modell kunde förbättra prestandan hos en existerande diskriminativ modell. Resultaten indikerar att generativa modeller kan användas för att augmentera eller ersätta existerande dataset vid träning av diskriminativa modeller.

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Les réseaux de neurones sont un type de modèle d'apprentissage automatique (ML) qui résolvent des tâches complexes d'intelligence artificielle (AI) sans nécessiter de représentations de données élaborées manuellement. Bien qu'ils aient obtenu des résultats impressionnants dans des tâches nécessitant un traitement de la parole, d’image, et du langage, les réseaux de neurones ont encore de la difficulté à résoudre des tâches de compréhension de scènes dynamiques. De plus, l’entraînement de réseaux de neurones nécessite généralement de nombreuses données annotées manuellement, ce qui peut être un processus long et coûteux. Cette thèse est composée de quatre articles proposant des modèles génératifs pour des scènes dynamiques. La modélisation générative est un domaine du ML qui étudie comment apprendre les mécanismes par lesquels les données sont produites. La principale motivation derrière les modèles génératifs est de pouvoir, sans utiliser d’étiquettes, apprendre des représentations de données utiles; c’est un sous-produit de l'approximation du processus de génération de données. De plus, les modèles génératifs sont utiles pour un large éventail d'applications telles que la super-résolution d'images, la synthèse vocale ou le résumé de texte. Le premier article se concentre sur l'amélioration de la performance des précédents auto-encodeurs variationnels (VAE) pour la prédiction vidéo. Il s’agit d’une tâche qui consiste à générer les images futures d'une scène dynamique, compte tenu de certaines observations antérieures. Les VAE sont une famille de modèles à variables latentes qui peuvent être utilisés pour échantillonner des points de données. Comparés à d'autres modèles génératifs, les VAE sont faciles à entraîner et ont tendance à couvrir tous les modes des données, mais produisent souvent des résultats de moindre qualité. En prédiction vidéo, les VAE ont été les premiers modèles capables de produire des images futures plausibles à partir d’un contexte donné, un progrès marquant par rapport aux modèles précédents car, pour la plupart des scènes dynamiques, le futur n'est pas une fonction déterministe du passé. Cependant, les premiers VAE pour la prédiction vidéo produisaient des résultats avec des artefacts visuels visibles et ne fonctionnaient pas sur des ensembles de données réalistes complexes. Dans cet article, nous identifions certains des facteurs limitants de ces modèles, et nous proposons pour chacun d’eux une solution pour en atténuer l'impact. Grâce à ces modifications, nous montrons que les VAE pour la prédiction vidéo peuvent obtenir des résultats de qualité nettement supérieurs par rapport aux références précédentes, et qu'ils peuvent être utilisés pour modéliser des scènes de conduite autonome. Dans le deuxième article, nous proposons un nouveau modèle en cascade pour la génération vidéo basé sur les réseaux antagonistes génératifs (GAN). Après le succès des VAE pour prédiction vidéo, il a été démontré que les GAN produisaient des échantillons vidéo de meilleure qualité pour la génération vidéo conditionnelle à des classes. Cependant, les GAN nécessitent de très grandes tailles de lots ainsi que des modèles de grande capacité, ce qui rend l’entraînement des GAN pour la génération vidéo coûteux computationnellement, à la fois en termes de mémoire et en temps de calcul. Nous proposons de scinder le processus génératif en une cascade de sous-modèles, chacun d'eux résolvant un problème plus simple. Cette division nous permet de réduire considérablement le coût computationnel tout en conservant la qualité de l'échantillon, et nous démontrons que ce modèle peut s'adapter à de très grands ensembles de données ainsi qu’à des vidéos de haute résolution. Dans le troisième article, nous concevons un modèle basé sur le principe qu'une scène est composée de différents objets, mais que les transitions de trame (également appelées règles dynamiques) sont partagées entre les objets. Pour mettre en œuvre cette hypothèse de modélisation, nous concevons un modèle qui extrait d'abord les différentes entités d'une image. Ensuite, le modèle apprend à mettre à jour la représentation de l'objet d'une image à l'autre en choisissant parmi différentes transitions possibles qui sont toutes partagées entre les différents objets. Nous montrons que, lors de l'apprentissage d'un tel modèle, les règles de transition sont fondées sémantiquement, et peuvent être appliquées à des objets non vus lors de l'apprentissage. De plus, nous pouvons utiliser ce modèle pour prédire les observations multimodales futures d'une scène dynamique en choisissant différentes transitions. Dans le dernier article nous proposons un modèle génératif basé sur des techniques de rendu 3D qui permet de générer des scènes avec plusieurs objets. Nous concevons un mécanisme d'inférence pour apprendre les représentations qui peuvent être rendues avec notre modèle et nous optimisons simultanément ce mécanisme d'inférence et le moteur de rendu. Nous montrons que ce modèle possède une représentation interprétable dans laquelle des changements sémantiques appliqués à la représentation de la scène sont rendus dans la scène générée. De plus, nous montrons que, suite au processus d’entraînement, notre modèle apprend à segmenter les objets dans une scène sans annotations et que la représentation apprise peut être utilisée pour résoudre des tâches de compréhension de scène dynamique en déduisant la représentation de chaque observation. / Neural networks are a type of Machine Learning (ML) models that solve complex Artificial Intelligence (AI) tasks without requiring handcrafted data representations. Although they have achieved impressive results in tasks requiring speech, image and language processing, neural networks still struggle to solve dynamic scene understanding tasks. Furthermore, training neural networks usually demands lots data that is annotated manually, which can be an expensive and time-consuming process. This thesis is comprised of four articles proposing generative models for dynamic scenes. Generative modelling is an area of ML that investigates how to learn the mechanisms by which data is produced. The main motivation for generative models is to learn useful data representations without labels as a by-product of approximating the data generation process. Furthermore, generative models are useful for a wide range of applications such as image super-resolution, voice synthesis or text summarization. The first article focuses on improving the performance of previous Variational AutoEncoders (VAEs) for video prediction, which is the task of generating future frames of a dynamic scene given some previous occurred observations. VAEs are a family of latent variable models that can be used to sample data points. Compared to other generative models, VAEs are easy to train and tend to cover all data modes, but often produce lower quality results. In video prediction VAEs were the first models that were able to produce multiple plausible future outcomes given a context, marking an advancement over previous models as for most dynamic scenes the future is not a deterministic function of the past. However, the first VAEs for video prediction produced results with visible visual artifacts and could not operate on complex realistic datasets. In this article we identify some of the limiting factors for these models, and for each of them we propose a solution to ease its impact. With our proposed modifications, we show that VAEs for video prediction can obtain significant higher quality results over previous baselines and that they can be used to model autonomous driving scenes. In the second article we propose a new cascaded model for video generation based on Generative Adversarial Networks (GANs). After the success of VAEs in video prediction, GANs were shown to produce higher quality video samples for class-conditional video generation. However, GANs require very large batch sizes and high capacity models, which makes training GANs for video generation computationally expensive, both in terms of memory and training time. We propose to split the generative process into a cascade of submodels, each of them solving a smaller generative problem. This split allows us to significantly reduce the computational requirements while retaining sample quality, and we show that this model can scale to very large datasets and video resolutions. In the third article we design a model based on the premise that a scene is comprised of different objects but that frame transitions (also known as dynamic rules) are shared among objects. To implement this modeling assumption we design a model that first extracts the different entities in a frame, and then learns to update the object representation from one frame to another by choosing among different possible transitions, all shared among objects. We show that, when learning such a model, the transition rules are semantically grounded and can be applied to objects not seen during training. Further, we can use this model for predicting multimodal future observations of a dynamic scene by choosing different transitions. In the last article we propose a generative model based on 3D rendering techniques that can generate scenes with multiple objects. We design an inference mechanism to learn representations that can be rendered with our model and we simultaneously optimize this inference mechanism and the renderer. We show that this model has an interpretable representation in which semantic changes to the scene representation are shown in the output. Furthermore, we show that, as a by product of the training process, our model learns to segment the objects in a scene without annotations and that the learned representation can be used to solve dynamic scene understanding tasks by inferring the representation of each observation.

<p dir="ltr">Federated Learning (FL), a novel subclass of Artificial Intelligence, decentralizes the learning process by enabling participants to benefit from a comprehensive model trained on a broader dataset without direct sharing of private data. This approach integrates multiple local models into a global model, mitigating the need for large individual datasets. However, the decentralized nature of FL increases its vulnerability to adversarial attacks. These include backdoor attacks, which subtly alter classification in some categories, and byzantine attacks, aimed at degrading the overall model accuracy. Detecting and defending against such attacks is challenging, as adversaries can participate in the system, masquerading as benign contributors. This thesis provides an extensive analysis of the various security attacks, highlighting the distinct elements of each and the inherent vulnerabilities of FL that facilitate these attacks. The focus is primarily on backdoor attacks, which are stealthier and more difficult to detect compared to byzantine attacks. We explore defense strategies effective in identifying malicious participants or mitigating attack impacts on the global model. The primary aim of this research is to evaluate the effectiveness and limitations of existing server-level defenses and to develop innovative defense mechanisms under diverse threat models. This includes scenarios where the server collaborates with clients to thwart attacks, cases where the server remains passive but benign, and situations where no server is present, requiring clients to independently minimize and isolate attacks while enhancing main task performance. Throughout, we ensure that the interventions do not compromise the performance of both global and local models. The research predominantly utilizes 2D and 3D datasets to underscore the practical implications and effectiveness of proposed methodologies.</p>