Le domaine de l'apprentissage automatique a pour but la création d'agents synthétiques améliorant leurs performances avec l'expérience. Pour pouvoir se perfectionner, ces agents extraient des régularités statistiques de données incertaines et mettent à jour leur modèle du monde. Les probabilités bayésiennes sont un outil rationnel pour répondre à la problématique de l'apprentissage. Cependant, comme ce problème est souvent difficile, des solutions proposant un compromis entre précision et rapidité doivent être mises en oeuvre. Ce travail présente la méthode d'apprentissage bayésien, ses fondations philosophiques et plusieurs applications innovantes. Nous nous intéressons d'abord à des questions d'apprentissage de paramètres. Dans ce cadre nous étudions deux problèmes d'analyse de données à variables cachées. Nous proposons d'abord une méthode bayésienne pour classer les joueurs d'échecs qui améliore sensiblement le système Elo. Le classement produit permet de répondre à des questions intéressantes comme celle de savoir qui fut le meilleur joueur d'échecs de tous les temps. Nous étudions aussi un système de filtrage collaboratif dont le but est de prévoir les goûts cinématographiques d'utilisateurs en fonction de leurs préférences passées. La deuxième partie de notre travail concerne l'apprentissage de modèles. D'abord nous nous intéressons à la sélection de variables pertinentes dans le cadre d'une application robotique. D'un point de vue cognitif, cette sélection permet au robot de transférer ses connaissances d'un domaine sensorimoteur vers un autre. Finalement, nous proposons une méthode permettant de découvrir automatiquement une nouvelle variable cachée afin de mieux modéliser l'environnement d'un robot.

L’apprentissage automatique et spécialement l’apprentissage profond se sont imposés ces dernières années pour résoudre une large variété de tâches. Une des applications les plus remarquables concerne la vision par ordinateur. Les systèmes de détection ou de classification ont connu des avancées majeurs grâce a l’apprentissage profond. Cependant, il reste de nombreux obstacles à une compréhension du monde similaire aux être vivants. Ces derniers n’ont pas besoin de labels pour classifier, pour extraire des caractéristiques du monde réel. L’apprentissage non supervisé est un des axes de recherche qui se concentre sur la résolution de ce problème. Dans ce mémoire, je présente un nouveau moyen d’entrainer des réseaux de neurones de manière non supervisée. Je présente une méthode permettant d’échantillonner de manière itérative a partir de bruit afin de générer des données qui se rapprochent des données d’entrainement. Cette procédure itérative s’appelle l’entrainement par infusion qui est une nouvelle approche permettant d’apprendre l’opérateur de transition d’une chaine de Markov. Dans le premier chapitre, j’introduis des bases concernant l’apprentissage automatique et la théorie des probabilités. Dans le second chapitre, j’expose les modèles génératifs qui ont inspiré ce travail. Dans le troisième et dernier chapitre, je présente comment améliorer l’échantillonnage dans les modèles génératifs avec l’entrainement par infusion. / Machine learning and specifically deep learning has made significant breakthroughs in recent years concerning different tasks. One well known application of deep learning is computer vision. Tasks such as detection or classification are nearly considered solved by the community. However, training state-of-the-art models for such tasks requires to have labels associated to the data we want to classify. A more general goal is, similarly to animal brains, to be able to design algorithms that can extract meaningful features from data that aren’t labeled. Unsupervised learning is one of the axes that try to solve this problem. In this thesis, I present a new way to train a neural network as a generative model capable of generating quality samples (a task akin to imagining). I explain how by starting from noise, it is possible to get samples which are close to the training data. This iterative procedure is called Infusion training and is a novel approach to learning the transition operator of a generative Markov chain. In the first chapter, I present some background about machine learning and probabilistic models. The second chapter presents generative models that inspired this work. The third and last chapter presents and investigates our novel approach to learn a generative model with Infusion training.

Nous argumentons que l'estimation de l'information mutuelle entre des ensembles de variables aléatoires continues de hautes dimensionnalités peut être réalisée par descente de gradient sur des réseaux de neurones. Nous présentons un estimateur neuronal de l'information mutuelle (MINE) dont la complexité croît linéairement avec la dimensionnalité des variables et la taille de l'échantillon, entrainable par retro-propagation, et fortement consistant au sens statistique. Nous présentons aussi une poignée d'application ou MINE peut être utilisé pour minimiser ou maximiser l'information mutuelle. Nous appliquons MINE pour améliorer les modèles génératifs adversariaux. Nous utilisons aussi MINE pour implémenter la méthode du goulot d'étranglement de l'information dans un cadre de classification supervisé. Nos résultats montrent un gain substantiel en flexibilité et performance. / We argue that the estimation of mutual information between high dimensional continuous random variables can be achieved by gradient descent over neural networks. We present a Mutual Information Neural Estimator (MINE) that is linearly scalable in dimensionality as well as in sample size, trainable through back-prop, and strongly consistent. We present a handful of applications on which MINE can be used to minimize or maximize mutual information. We apply MINE to improve adversarially trained generative models. We also use MINE to implement the Information Bottleneck, applying it to supervised classification; our results demonstrate substantial improvement in flexibility and performance in the settings.

Cette thèse s'intéresse au développement de méthodes automatiques pour la segmentation et la synthèse d'images par résonance magnétique de tumeurs cérébrales. La principale perspective clinique de la segmentation des gliomes est le suivi de la vitesse d'expansion diamétrique dans le but d'adapter les solutions thérapeutiques. A cette fin, la thèse formalise au moyen de modèles graphiques probabilistes des approches de segmentation multi-atlas fondées sur l'appariement de blocs de voxels. Un premier modèle probabiliste prolonge à la segmentation automatique de régions cérébrales pathologiques les approches multi-atlas classiques de segmentation de structures anatomiques. Une approximation de l'étape de marginalisation remplace la notion de fenêtre de recherche locale par un tamisage par atlas et par étiquette. Un modèle de détection de gliomes fondé sur un a priori spatial et des critères de pré-sélection de blocs de voxels permettent d'obtenir des temps de calcul compétitifs malgré un appariement non local. Ce travail est validé et comparé à l'état de l'art sur des bases de données publiques. Un second modèle probabiliste, symétrique au modèle de segmentation, simule des images par résonance magnétique de cas pathologiques, à partir d'une unique segmentation. Une heuristique permet d'estimer le maximum a posteriori et l'incertitude du modèle de synthèse d'image. Un appariement itératif des blocs de voxels renforce la cohérence spatiale des images simulées. Le réalisme des images simulées est évalué avec de vraies IRM et des simulations de l'état de l'art. Le raccordement d'un modèle de croissance de tumeur permet de créer des bases d'images annotées synthétiques. / This thesis focuses on the development of automatic methods for the segmentation and synthesis of brain tumor Magnetic Resonance images. The main clinical perspective of glioma segmentation is growth velocity monitoring for patient therapy management. To this end, the thesis builds on the formalization of multi-atlas patch-based segmentation with probabilistic graphical models. A probabilistic model first extends classical multi-atlas approaches used for the segmentation of healthy brains structures to the automatic segmentation of pathological cerebral regions. An approximation of the marginalization step replaces the concept of local search windows with a stratification with respect to both atlases and labels. A glioma detection model based on a spatially-varying prior and patch pre-selection criteria are introduced to obtain competitive running times despite patch matching being non local. This work is validated and compared to state-of-the-art algorithms on publicly available datasets. A second probabilistic model mirrors the segmentation model in order to synthesize realistic MRI of pathological cases, based on a single label map. A heuristic method allows to solve for the maximum a posteriori and to estimate uncertainty of the image synthesis model. Iterating patch matching reinforces the spatial coherence of synthetic images. The realism of our synthetic images is assessed against real MRI, and against outputs of the state-of-the-art method. The junction of a tumor growth model to the proposed synthesis approach allows to generate databases of annotated synthetic cases.

Les fichiers sons qui accompagne mon document sont au format midi. Le programme que nous avons développés pour ce travail est en language Python. / Les réseaux de neurones à réservoir, dont le principe est de combiner un vaste réseau de neurones fixes avec un apprenant ne possédant aucune forme de mémoire, ont récemment connu un gain en popularité dans les communautés d’apprentissage machine, de traitement du signal et des neurosciences computationelles. Ces réseaux qui peuvent être classés en deux catégories : 1. les réseaux à états échoïques (ESN)[29] dont les activations des neurones sont des réels 2. les machines à états liquides (LSM)[43] dont les neurones possèdent des potentiels d’actions, ont été appliqués à différentes tâches [11][64][49][45][38] dont la génération de séquences mélodiques [30]. Dans le cadre de la présente recherche, nous proposons deux nouveaux modèles à base de réseaux de neurones à réservoir. Le premier est un modèle pour la reconnaissance de rythmes utilisant deux niveaux d’apprentissage, et avec lequel nous avons été en mesure d’obtenir des résultats satisfaisants tant au niveau de la reconnaissance que de la résistance au bruit. Le second modèle sert à l’apprentissage et à la génération de séquences périodiques. Ce modèle diffère du modèle génératif classique utilisé avec les ESN à la fois au niveau de ses entrées, puisqu’il possède une Horloge, ainsi qu’au niveau de l’algorithme d’apprentissage, puisqu’il utilise un algorithme que nous avons spécialement développé pour cette tache et qui se nomme "Orbite". La combinaison de ces deux éléments, nous a permis d’obtenir de bons résultats, pour la génération, le sur-apprentissage et l’extraction de données. Nous pensons également que ce modèle ouvre une fenêtre intéressante vers la réalisation d’un orchestre entièrement virtuel et nous proposons deux architectures possibles que pourrait avoir cet orchestre. Dans la dernière partie de ce travail nous présentons les outils que nous avons développés pour faciliter notre travail de recherche. / Reservoir computing, the combination of a recurrent neural network and one or more memoryless readout units, has seen recent growth in popularity in and machine learning, signal processing and computational neurosciences. Reservoir-based methods have been successfully applied to a wide range of time series problems [11][64][49][45][38] including music [30], and usually can be found in two flavours: Echo States Networks(ESN)[29], where the reservoir is composed of mean rates neurons, and Liquid Sates Machines (LSM),[43] where the reservoir is composed of spiking neurons. In this work, we propose two new models based upon the ESN architecture. The first one is a model for rhythm recognition that uses two levels of learning and with which we have been able to get satisfying results on both recognition and noise resistance. The second one is a model for learning and generating periodic sequences, with this model we introduced a new architecture for generative models based upon ESNs where the reservoir receives inputs from a clock, as well as a new learning algorithm that we called "Orbite". By combining these two elements within our model, we were able to get good results on generation, over-fitting and data extraction. We also believe that a combination of several instances of our model can serve as a basis for the elaboration of an entirely virtual orchestra, and we propose two architectures that this orchestra may have. In the last part of this work, we briefly present the tools that we have developed during our research.

La compréhension des mécanismes cognitifs est un défi que les prouesses technologiques en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle et de diffusion permettent de relever. Les réseaux neuronaux, ensembles de régions interconnectées anatomiquement et fonctionnellement, sont à l'ori- gine des processus cognitifs. Nous nous sommes intéressés à la relation entre la structure anatomique et la fonction de ces réseaux, au travers des deux principes fondamentaux du fonctionnement céré- bral que sont la ségrégation et l'intégration, ainsi que via la notion d'intégrité. En premier lieu, nous nous sommes penchés sur la ségrégation anatomique des noyaux gris centraux et son interprétation fonctionnelle. Puis, nous avons abordé le principe d'intégration, d'un point de vue descriptif par le biais de la théorie des graphes, puis explicatif par l'utilisation du modèle spatial autorégressif. Enfin, nous avons étudié l'intégrité structurelle du cerveau en présence de déficits neurocomportementaux suite à un traumatisme crânien léger. Nous avons ainsi mis en évidence l'existence d'un substrat ana- tomique sous-jacent aux réseaux fonctionnels. Nos résultats suggèrent que la structure anatomique des réseaux cérébraux est un substrat complexe optimisant les processus fonctionnels. De plus, une perte d'intégrité de ce substrat anatomique lors d'un traumatisme crânien léger se répercute sur le comportement et les performances cognitives. Ceci démontre que le fonctionnement cérébral, traduit par les réseaux neuronaux, est intimement lié à la structure anatomique de ces réseaux.

Les réseaux de neurones à réservoir, dont le principe est de combiner un vaste réseau de neurones fixes avec un apprenant ne possédant aucune forme de mémoire, ont récemment connu un gain en popularité dans les communautés d’apprentissage machine, de traitement du signal et des neurosciences computationelles. Ces réseaux qui peuvent être classés en deux catégories : 1. les réseaux à états échoïques (ESN)[29] dont les activations des neurones sont des réels 2. les machines à états liquides (LSM)[43] dont les neurones possèdent des potentiels d’actions, ont été appliqués à différentes tâches [11][64][49][45][38] dont la génération de séquences mélodiques [30]. Dans le cadre de la présente recherche, nous proposons deux nouveaux modèles à base de réseaux de neurones à réservoir. Le premier est un modèle pour la reconnaissance de rythmes utilisant deux niveaux d’apprentissage, et avec lequel nous avons été en mesure d’obtenir des résultats satisfaisants tant au niveau de la reconnaissance que de la résistance au bruit. Le second modèle sert à l’apprentissage et à la génération de séquences périodiques. Ce modèle diffère du modèle génératif classique utilisé avec les ESN à la fois au niveau de ses entrées, puisqu’il possède une Horloge, ainsi qu’au niveau de l’algorithme d’apprentissage, puisqu’il utilise un algorithme que nous avons spécialement développé pour cette tache et qui se nomme "Orbite". La combinaison de ces deux éléments, nous a permis d’obtenir de bons résultats, pour la génération, le sur-apprentissage et l’extraction de données. Nous pensons également que ce modèle ouvre une fenêtre intéressante vers la réalisation d’un orchestre entièrement virtuel et nous proposons deux architectures possibles que pourrait avoir cet orchestre. Dans la dernière partie de ce travail nous présentons les outils que nous avons développés pour faciliter notre travail de recherche. / Reservoir computing, the combination of a recurrent neural network and one or more memoryless readout units, has seen recent growth in popularity in and machine learning, signal processing and computational neurosciences. Reservoir-based methods have been successfully applied to a wide range of time series problems [11][64][49][45][38] including music [30], and usually can be found in two flavours: Echo States Networks(ESN)[29], where the reservoir is composed of mean rates neurons, and Liquid Sates Machines (LSM),[43] where the reservoir is composed of spiking neurons. In this work, we propose two new models based upon the ESN architecture. The first one is a model for rhythm recognition that uses two levels of learning and with which we have been able to get satisfying results on both recognition and noise resistance. The second one is a model for learning and generating periodic sequences, with this model we introduced a new architecture for generative models based upon ESNs where the reservoir receives inputs from a clock, as well as a new learning algorithm that we called "Orbite". By combining these two elements within our model, we were able to get good results on generation, over-fitting and data extraction. We also believe that a combination of several instances of our model can serve as a basis for the elaboration of an entirely virtual orchestra, and we propose two architectures that this orchestra may have. In the last part of this work, we briefly present the tools that we have developed during our research. / Les fichiers sons qui accompagne mon document sont au format midi. Le programme que nous avons développés pour ce travail est en language Python.

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