Le sommeil est un phénomène biologique universel complexe et encore peu compris. La méthode de référence actuelle pour caractériser les états de vigilance au cours du sommeil est la polysomnographie (PSG) qui enregistre de manière non invasive à la surface de la peau, les modifications électrophysiologiques de l’activité cérébrale (électroencéphalographie, EEG), oculaire (électro-oculographie, EOG) et musculaire (électromyographie, EMG). Traditionnellement, les signaux électrophysiologiques sont ensuite analysés par un expert du sommeil qui annote manuellement les évènements d’intérêt comme les stades de sommeil ou certains micro-évènements (grapho éléments EEG). Toutefois, l’annotation manuelle est chronophage et sujette à la subjectivité de l’expert. De plus, le développement exponentiel d’outils de monitoring du sommeil enregistrant et analysant automatiquement les signaux électrophysiologiques tels que le bandeau Dreem rend nécessaire une automatisation de ces tâches.L’apprentissage machine bénéficie d’une attention croissante car il permet d’apprendre à un ordinateur à réaliser certaines tâches de décision à partir d’un ensemble d’exemples d’apprentissage et d’obtenir des performances de prédictions plus élevées qu’avec les méthodes classiques. Les avancées techniques dans le domaine de l’apprentissage profond ont ouvert de nouvelles perspectives pour la science du sommeil tout en soulevant de nouveaux défis techniques. L’entraînement des algorithmes d’apprentissage profond nécessite une grande quantité de données annotées qui n’est pas nécessairement disponible pour les données PSG. De plus, les algorithmes d’apprentissage sont très sensibles à la variabilité des données qui est non négligeable en ce qui concerne ces données. Cela s’explique par la variabilité intra et inter-sujet (pathologies / sujets sains, âge…).Cette thèse étudie le développement d’algorithmes d’apprentissage profond afin de réaliser deux types de tâches: la prédiction des stades de sommeil et la détection de micro-événements. Une attention particulière est portée (a) sur la quantité de données annotées requise pour l’entraînement des algorithmes proposés et (b) sur la sensibilité de ces algorithmes à la variabilité des données. Des stratégies spécifiques, basées sur l’apprentissage par transfert, sont proposées pour résoudre les problèmes techniques dus au manque de données annotées et à la variabilité des données. / Sleep is a complex and not fully understood biological phenomenon. The traditional process to monitor sleep relies on the polysomnography exam (PSG). It records, in a non invasive fashion at the level of the skin, electrophysiological modifications of the brain activity (electroencephalography, EEG), ocular (electro-oculography, EOG) and muscular (electro-myography, EMG). The recorded signals are then analyzed by a sleep expert who manually annotates the events of interest such as the sleep stages or some micro-events. However, manual labeling is time-consuming and prone to the expert subjectivity. Furthermore, the development of sleep monitoring consumer wearable devices which record and process automatically electrophysiological signals, such as Dreem headband, requires to automate some labeling tasks.Machine learning (ML) has received much attention as a way to teach a computer to perform some decision tasks automatically from a set of learning examples. Furthermore, the rise of deep learning (DL) algorithms in several fields have opened new perspectives for sleep sciences. On the other hand, this is also raising new concerns related to the scarcity of labeled data that may prevent their training processes and the variability of data that may hurt their performances. Indeed, sleep data is scarce due to the labeling burden and exhibits also some intra and inter-subject variability (due to sleep disorders, aging...).This thesis has investigated and proposed ML algorithms to automate the detection of sleep related events from raw PSG time series. Through the prism of DL, it addressed two main tasks: sleep stage classification and micro-event detection. A particular attention was brought (a) to the quantity of labeled data required to train such algorithms and (b) to the generalization performances of these algorithms to new (variable) data. Specific strategies, based on transfer learning, were designed to cope with the issues related to the scarcity of labeled data and the variability of data.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La spectrométrie de masse est devenue ces dernières années une technologie incontournable dans l'analyse à large échelle des composés cellulaires. En recherche clinique, les études qui utilisent cette technologie sont de plus en plus répandues. Ces études visent principalement deux objectifs. Le premier est le diagnostic de maladies qui passe par la classification d'échantillons provenant de différents états expérimentaux. Le deuxième objectif est l'identification de signatures des maladies étudiées qui passe par la mise en évidence de biomarqueurs. Cependant, la grande dimensionnalité, la présence de bruit et la complexité des données liées à ce type d'analyse nécessitent le développement d'outils computationnels performants. La récente émergence d'algorithmes d'apprentissage automatique a révolutionné de nombreux domaines de recherche y compris le diagnostic et l'identification de biomarqueurs. Néanmoins, ces algorithmes ne permettent pas toujours d'obtenir des résultats satisfaisants car ils nécessitent au préalable des étapes fastidieuses de prétraitement et de sélection d'attributs. Tandis que les algorithmes d'apprentissage profond et plus particulièrement les réseaux de neurones ont la capacité d'extraire automatiquement les caractéristiques pertinentes à partir de données brutes. Cette thèse vise à concevoir des algorithmes à base de réseaux de neurones pour le diagnostic du cancer et l'identification de biomarqueurs à partir de données protéomiques et métabolomiques. Ce travail est présenté sous la forme de trois contributions. La première, nommée apprentissage cumulatif, est une nouvelle méthodologie à base de réseaux de neurones convolutifs développée pour le diagnostic dans un contexte de rareté de données. La deuxième contribution est une nouvelle méthodologie à base de réseaux de neurones récurrents développée pour le diagnostic précoce. Ces deux méthodologies ont été comparées à des approches d'apprentissage automatique traditionnellement utilisées pour les données de spectrométrie de masse. Non seulement nos méthodologies ont été plus performantes que les approches traditionnelles. Elles ont eu également l'avantage d'être efficaces sur les données brutes et ont permis ainsi de s'affranchir des étapes coûteuses de prétraitement et de sélection d'attributs. De plus, elles ont eu un temps d'exécution de quelques secondes les rendant compatibles avec une analyse clinique rapide. Pour ce qui est de la troisième contribution, nommée SpectraLIME, elle consiste en une méthodologie d'interprétation des réseaux de neurones. Elle a identifié des régions spectrales d'intérêt contenant des biomarqueurs connus et des biomarqueurs candidats pouvant constituer de nouvelles cibles diagnostiques ou thérapeutiques. Nous avons pu démontrer tout au long de cette thèse la puissance des algorithmes d'apprentissage profond appliqués aux données omiques. Ce travail illustre l'intérêt de la spectrométrie de masse comme un outil puissant qui améliore remarquablement l'aide à la décision clinique. / In recent years, mass spectrometry has become an essential technology for large-scale analysis of cellular compounds. In clinical research, studies using this technology are becoming moreand more widespread. These studies have two main objectives. First, the diagnosis of diseases through the classification of samples from different experimental conditions. The second objective is the identification of signatures of the studied diseases through the detection of biomarkers. However, the high dimensionality, the presence of noise and the complexity of the data related to this type of analysis require the development of powerful computational tools. The recent emergence of machine learning algorithms has revolutionized many research areas including diagnosis and biomarker identification. However, these algorithms do not always provide satisfactory results because they require tedious pre-processing and feature selection steps. While deep learning algorithms and more particularly neural networks have the ability to automatically extract relevant features from raw data. This thesis aims at designing neural network algorithms for cancer diagnosis and biomarkers identification from proteomic and metabolomic data. This work is presented in the form of three contributions. The first one, named cumulative learning, is a new methodology based on convolutional neural networks developed for diagnosis in a context of data scarcity. The second contribution is a new methodology based on recurrent neural networks developed for early diagnosis. These two methodologies were compared to machine learning approaches traditionally used for mass spectrometry data. Not only our methodologies outperformed traditional approaches, but they also had the advantage of being effective on raw data and thus avoided costly pre-processing and feature selection steps. Moreover, they had an execution time of a few seconds, making them compatible with rapid clinical analysis. The third contribution, named SpectraLIME, consists of a methodology of neural networks interpretability. It identified spectral regions of interest containing known biomarkers and candidate biomarkers that could constitute new diagnostic or therapeutic targets. Throughout this thesis, we were able to demonstrate the power of deep learning algorithms applied to omics data. This work illustrates the interest of mass spectrometry as a valuable tool that remarkably improves clinical decision support.

À mesure que les réseaux de communication sans fil se développent vers la 5G, une énorme quantité de données sera produite et partagée sur la nouvelle plate-forme qui pourra être utilisée pour promouvoir de nouveaux services. Parmis ceux-ci, les informations de localisation des terminaux mobiles (MT) sont remarquablement utiles. Par exemple, les informations de localisation peuvent être utilisées dans différents cas de services d'enquête et d'information, de services communautaires, de suivi personnel, ainsi que de communications sensibles à la localisation. De nos jours, bien que le système de positionnement global (GPS) des MT offre la possibilité de localiser les MT, ses performances sont médiocres dans les zones urbaines où une ligne de vue directe (LoS) aux satellites est bloqué avec de nombreux immeubles de grande hauteur. En outre, le GPS a une consommation d'énergie élevée. Par conséquent, les techniques de localisation utilisant la télémétrie, qui sont basées sur les informations de signal radio reçues des MT tels que le temps d'arrivée (ToA), l'angle d'arrivée (AoA) et la réception de la force du signal (RSS), ne sont pas en mesure de fournir une localisation de précision satisfaisante. Par conséquent, il est particulièrement difficile de fournir des informations de localisation fiables des MT dans des environnements complexes avec diffusion et propagation par trajets multiples. Les méthodes d'apprentissage automatique basées sur les empreintes digitales (FP) sont largement utilisées pour la localisation dans des zones complexes en raison de leur haute fiabilité, rentabilité et précision et elles sont flexibles pour être utilisées dans de nombreux systèmes. Dans les réseaux 5G, en plus d'accueillir plus d'utilisateurs à des débits de données plus élevés avec une meilleure fiabilité tout en consommant moins d'énergie, une localisation de haute précision est également requise. Pour relever un tel défi, des systèmes massifs à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) ont été introduits dans la 5G en tant que technologie puissante et potentielle pour non seulement améliorer l'efficacité spectrale et énergétique à l'aide d'un traitement relativement simple, mais également pour fournir les emplacements précis des MT à l'aide d'un très grand nombre d'antennes associées à des fréquences porteuses élevées. Il existe deux types de MIMO massifs (M-MIMO), soit distribué et colocalisé. Ici, nous visons à utiliser la méthode basée sur les FP dans les systèmes M-MIMO pour fournir un système de localisation précis et fiable dans un réseau sans fil 5G. Nous nous concentrons principalement sur les deux extrêmes du paradigme M-MIMO. Un grand réseau d'antennes colocalisé (c'est-à-dire un MIMO massif colocalisé) et un grand réseau d'antennes géographiquement distribué (c'est-à-dire un MIMO massif distribué). Ensuite, nous ex trayons les caractéristiques du signal et du canal à partir du signal reçu dans les systèmes M-MIMO sous forme d'empreintes digitales et proposons des modèles utilisant les FP basés sur le regroupement et la régression pour estimer l'emplacement des MT. Grâce à cette procédure, nous sommes en mesure d'améliorer les performances de localisation de manière significative et de réduire la complexité de calcul de la méthode basée sur les FP. / As wireless communication networks are growing into 5G, an enormous amount of data will be produced and shared on the new platform, which can be employed in promoting new services. Location information of mobile terminals (MTs) is remarkably useful among them, which can be used in different use cases of inquiry and information services, community services, personal tracking, as well as location-aware communications. Nowadays, although the Global Positioning System (GPS) offers the possibility to localize MTs, it has poor performance in urban areas where a direct line-of-sight (LoS) to the satellites is blocked by many tall buildings. Besides, GPS has a high power consumption. Consequently, the ranging based localization techniques, which are based on radio signal information received from MTs such as time-of-arrival (ToA), angle-of-arrival (AoA), and received signal strength (RSS), are not able to provide satisfactory localization accuracy. Therefore, it is a notably challenging problem to provide precise and reliable location information of MTs in complex environments with rich scattering and multipath propagation. Fingerprinting (FP)-based machine learning methods are widely used for localization in complex areas due to their high reliability, cost-efficiency, and accuracy and they are flexible to be used in many systems. In 5G networks, besides accommodating more users at higher data rates with better reliability while consuming less power, high accuracy localization is also required in 5G networks. To meet such a challenge, massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems have been introduced in 5G as a powerful and potential technology to not only improve spectral and energy efficiency using relatively simple processing but also provide an accurate locations of MTs using a very large number of antennas combined with high carrier frequencies. There are two types of massive MIMO (M-MIMO), distributed and collocated. Here, we aim to use the FP-based method in M-MIMO systems to provide an accurate and reliable localization system in a 5G wireless network. We mainly focus on the two extremes of the M-MIMO paradigm. A large collocated antenna array (i.e., collocated M-MIMO ) and a large geographically distributed antenna array (i.e., distributed M-MIMO). Then, we extract signal and channel features from the received signal in M-MIMO systems as fingerprints and propose FP-based models using clustering and regression to estimate MT's location. Through this procedure, we are able to improve localization performance significantly and reduce the computational complexity of the FP-based method.

Ce mémoire présente une méthodologie novatrice pour mesurer les niveaux de douleur chez la souris en utilisant des techniques d'interprétation des images par apprentissage profond. L'un des principaux défis rencontrés dans cette étude a été l'acquisition de données de haute qualité. Une fois les données de qualité obtenues, il a été possible d'entraîner des réseaux de neurones capables de mesurer les niveaux de douleur. Afin de relever ces défis, nous avons développé un système de capture et de traitement d'images spécifiquement conçu pour cette étude. Ce système permet l'acquisition d'images de haute résolution avec un éclairage ajustable, ainsi que le traitement presque en temps réel des images. Grâce à ce système, nous avons pu constituer une base de données, appelée *MGS_UL*, comprenant plus de 2000 images annotées. Ensuite, des algorithmes d'apprentissage profond sont exploités pour évaluer de manière fiable les niveaux de douleur chez les souris. Ces algorithmes ont été testés sur la base de données *MGS_UL* pour évaluer leur efficacité à mesurer les niveaux de douleur. Les résultats obtenus démontrent la viabilité de ces algorithmes d'apprentissage profond pour la mesure de la douleur chez les souris. Ils ouvrent également la voie à de nouvelles avancées dans ce domaine de recherche.

Ce mémoire présente une méthode d’acquisition légère et abordable basée sur l’apprentissage profond pour l’estimation des paramètres intrinsèques de surface des matériaux du monde réel. Pour ce problème d’estimation, la difficulté principale est l’entraînement des réseaux de neurones des méthodes modernes qui est habituellement effectué sur des données virtuelles exclusivement. Après cet entraînement avec des matériaux synthétiques, les résultats obtenus pour les matériaux réels ne sont pas satisfaisants. De plus, il est difficile d’évaluer et de comparer les différentes méthodes puisque la vérité terrain est inconnue pour l’estimation des paramètres des matériaux réels. Afin de résoudre ces problèmes, un nouvel appareil est développé. Il permet la capture d’images de l’apparence des surfaces sous divers angles d’illumination. Cet appareil permet l’acquisition d’une base de données contenant 80 matériaux réels. Cette base de données est mise à profit pour l’évaluation de différentes méthodes modernes basées sur l’apprentissage profond. Finalement, des stratégies supplémentaires pour les matériaux réels, ainsi qu’une nouvelle architecture de réseau de neurones sont proposées pour estimer les propriétés de surface de matériaux réels (on identifie ces propriétés par la SVBRDF pour Spatially-Varying Bidirectional Reflectance Distribution Function). Les réseaux mis au point dans les recherches permettent d’obtenir des résultats supérieurs à l’état de l’art pour l’estimation de l’apparence des matériaux réels sans avoir recours à des systèmes d’acquisition sophistiqués.

L'apprentissage profond par renforcement a produit des décideurs qui jouent aux échecs, au Go, au Shogi, à Atari et à Starcraft avec une capacité surhumaine. Cependant, ces algorithmes ont du mal à naviguer et à contrôler des environnements physiques, contrairement aux animaux et aux humains. Manipuler le monde physique nécessite la maîtrise de domaines d'actions continues tels que la position, la vitesse et l'accélération, contrairement aux domaines d'actions discretes dans des jeux de société et de vidéo. L'entraînement de réseaux neuronaux profonds pour le contrôle continu est instable: les agents ont du mal à apprendre et à conserver de bonnes habitudes, le succès est à haute variance sur hyperparamètres, graines aléatoires, même pour la même tâche, et les algorithmes ont du mal à bien se comporter en dehors des domaines dans lesquels ils ont été développés. Cette thèse examine et améliore l'utilisation de réseaux de neurones profonds dans l'apprentissage par renforcement. Le chapitre 1 explique comment le principe d'entropie maximale produit des fonctions d'objectifs pour l'apprentissage supervisé et non supervisé et déduit, à partir de la dynamique d'apprentissage des réseaux neuronaux profonds, certains termes régulisants pour stabiliser les réseaux neuronaux profonds. Le chapitre 2 fournit une justification de l'entropie maximale pour la forme des algorithmes acteur-critique et trouve une configuration d'un algorithme acteur-critique qui s'entraîne le plus stablement. Enfin, le chapitre 3 examine la dynamique d'apprentissage de l'apprentissage par renforcement profond afin de proposer deux améliorations aux réseaux cibles et jumeaux qui améliorent la stabilité et la convergence. Des expériences sont réalisées dans les simulateurs de physique idéale DeepMind Control, MuJoCo et Box2D. / Deep Reinforcement Learning has produced decision makers that play Chess, Go, Shogi, Atari, and Starcraft with superhuman ability. However, unlike animals and humans, these algorithms struggle to navigate and control physical environments. Manipulating the physical world requires controlling continuous action spaces such as position, velocity, and acceleration, unlike the discrete action spaces of board and video games. Training deep neural networks for continuous control is unstable: agents struggle to learn and retain good behaviors, performance is high variance across hyperparameters, random seed, and even multiple runs of the same task, and algorithms struggle to perform well outside the domains they have been developed in. This thesis finds principles behind the success of deep neural networks in other learning paradigms and examines their impact on reinforcement learning for continuous control. Chapter 1 explains how the maximum-entropy principle produces supervised and unsupervised learning loss functions and derives some regularizers used to stabilize deep networks from the training dynamics of deep learning. Chapter 2 provides a maximum-entropy justification for the form of actor-critic algorithms and finds a configuration of an actor-critic algorithm that trains most stably. Finally, Chapter 3 considers the training dynamics of deep reinforcement learning to propose two improvements to target and twin networks that improve stability and convergence. Experiments are performed within the DeepMind Control, MuJoCo, and Box2D ideal-physics simulators.

Les réseaux neuronaux profonds sont des outils prometteurs pour l'évaluation de la biodiversité aviaire, en particulier pour la détection des chants et la classification acoustique des espèces. Toutefois, on connaît mal l’étendue de leur capacité de généralisation face à la variation intraspécifique présente dans les chants d’oiseaux, ce qui pourrait mener à des biais. Notre étude porte sur l'évaluation des performances de BirdNET, un réseau neuronal profond, pour le traitement d’un corpus d'enregistrements audio caractérisés par une variation intraspécifique significative, en utilisant l’exemple du chant du bruant des prés (Passerculus sandwichensis). Dans la population de l'île de Kent, au Nouveau-Brunswick, les individus sont suivis et enregistrés grâce à leurs bagues de couleur et la présence de microdialectes est solidement documentée. Nous avons recueilli et annoté 69 606 chants provenant de 52 individus et analysé ces données à l'aide d’une version récente de BirdNET. Nos résultats révèlent que BirdNET démontre une précision globale suffisante, prédisant correctement 81,9 % des chants, ce qui dépasse les résultats rapportés par ses développeurs. Toutefois, nous avons observé une variation considérable dans les scores de confiance et les taux de prédiction exactes entre les individus, ce qui suggère des biais potentiels. Cependant, nos recherches n'ont pas mis en évidence de variation entre les résultats des différents microdialectes, ce qui souligne la relative robustesse de l'algorithme. Nous avançons que la variation observée entre les individus est due au fait que certains d’entre eux chantent systématiquement plus près des microphones, résultant en des chants plus clairs donc plus faciles à identifier. Pour mieux comprendre le processus de prise de décision de BirdNET, nous avons tenté de produire des cartes d'activation de classe, qui constituent un outil précieux pour identifier les éléments d’un chant qui déterminent une prédiction. Cependant, il ne nous a pas été possible d’obtenir des cartes d’activation de classe d’après la version actuellement disponible du code de BirdNET sans avoir recours à des connaissances avancées en informatique. L'accès à des outils explicatifs adaptés aux innovations récentes dans les architectures de réseaux neuronaux 4 profonds serait crucial pour mieux interpréter les résultats et renforcer la confiance des utilisateurs. Nos résultats soulignent la nécessité de poursuivre les recherches sur la capacité de généralisation des réseaux neuronaux profonds pour la bioacoustique en utilisant des ensembles de données monospécifiques portant sur de plus longues périodes ou des aires de répartition géographique plus vastes. En outre, l'extension de cette étude à des espèces ayant des répertoires plus importants ou des différences plus subtiles entre le chant des individus pourrait nous informer davantage sur les limites et le potentiel des algorithmes d'apprentissage profond pour la détection et la classification acoustiques des espèces. En conclusion, notre étude démontre les performances prometteuses de BirdNET pour le traitement d'un large corpus de chants de bruants des prés, et confirme son potentiel en tant qu'outil précieux pour l'évaluation de la biodiversité aviaire. Les biais dus aux techniques d’enregistrement et la variation dans les taux de succès observés entre les individus méritent d'être étudiés plus en détail. / Machine learning, particularly deep neural networks, has gained prominence as a valuable tool in ecological studies and wildlife conservation planning. In the field of avian biodiversity assessment, deep neural networks have shown remarkable promise, particularly in acoustic species detection and classification. Despite their success, a critical knowledge gap exists concerning the generalization ability of these algorithms across intraspecific variation in bird song. This raises concerns about potential biases and misinterpretation of results. This study focuses on evaluating the performance of BirdNET, a deep neural network, in processing audio recordings characterized by significant intraspecific variation in the Savannah Sparrow (Passerculus sandwichensis) song. Savannah Sparrows are an ideal candidate for this investigation, given their well-studied population on Kent Island, New Brunswick, Canada. Each male sings a unique, unchanging song throughout its life, and the population exhibits well-documented geographical microdialects. We collected a large corpus of Savannah Sparrow songs using autonomous and focal recorders on Kent Island, yielding a total of 69,606 manually annotated songs from 52 different sparrows. We analyzed the audio data using BirdNET-Analyzer. The resulting confidence scores were used to assess the algorithm's performance across microdialects and individual birds. Our results revealed that BirdNET exhibited considerable overall accuracy, correctly predicting 81.9% of the songs, which surpassed the results reported by the developers of BirdNET. We observed variations in BirdNET's confidence scores among individual birds, suggesting potential biases in its classifications. However, our investigation indicated no evidence of distinct biases towards specific microdialects, highlighting the algorithm's relative robustness across these groups. We suspect that the variation observed amongst individuals is caused by the fact that some were singing consistently closer to microphones, yielding clearer songs. To gain insights into BirdNET's decision-making process, we sought to employ class activation maps, a valuable tool for identifying essential song elements contributing to species predictions. However, we were unable to produce class activation maps from the current version of BirdNET 6 without advanced computer science skills. Access to informative tools adapted to recent innovations in deep neural network architectures for bioacoustic applications is crucial for understanding and interpreting results better. Such tools would enhance user confidence and favour accountability for conservation decisions based on these predictions. Our findings underscore the need for further research investigating the generalization capacity of deep neural networks in bioacoustics on single-species datasets with more extensive intraspecific variation and broader geographical ranges. Additionally, expanding this investigation to species with larger song repertoires or more subtle inter-individual song differences could provide valuable insights into the limits and potential of deep learning algorithms for acoustic species detection and classification. In conclusion, our study demonstrates BirdNET's promising performance in processing a large corpus of Savannah Sparrow songs, highlighting its potential as a valuable tool for avian biodiversity assessment. Biases and variations in confidence scores observed across individual birds warrant further investigation.

Pour l’apprentissage automatisé de données régulières comme des images ou des signaux sonores, les réseaux convolutifs profonds s’imposent comme le modèle de deep learning le plus performant. En revanche, lorsque les jeux de données sont irréguliers (par example : réseaux de capteurs, de citations, IRMs), ces réseaux ne peuvent pas être utilisés. Dans cette thèse, nous développons une théorie algébrique permettant de définir des convolutions sur des domaines irréguliers, à l’aide d’actions de groupe (ou, plus généralement, de groupoïde) agissant sur les sommets d’un graphe, et possédant des propriétés liées aux arrêtes. A l’aide de ces convolutions, nous proposons des extensions des réseaux convolutifs à des structures de graphes. Nos recherches nous conduisent à proposer une formulation générique de la propagation entre deux couches de neurones que nous appelons la contraction neurale. De cette formule, nous dérivons plusieurs nouveaux modèles de réseaux de neurones, applicables sur des domaines irréguliers, et qui font preuve de résultats au même niveau que l’état de l’art voire meilleurs pour certains. / Convolutional neural networks have proven to be the deep learning model that performs best on regularly structured datasets like images or sounds. However, they cannot be applied on datasets with an irregular structure (e.g. sensor networks, citation networks, MRIs). In this thesis, we develop an algebraic theory of convolutions on irregular domains. We construct a family of convolutions that are based on group actions (or, more generally, groupoid actions) that acts on the vertex domain and that have properties that depend on the edges. With the help of these convolutions, we propose extensions of convolutional neural netowrks to graph domains. Our researches lead us to propose a generic formulation of the propagation between layers, that we call the neural contraction. From this formulation, we derive many novel neural network models that can be applied on irregular domains. Through benchmarks and experiments, we show that they attain state-of-the-art performances, and beat them in some cases.

L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement de différentes représentations d'images, notamment apprentissage profond, dans le contexte d'application en imagerie médicale. Le but est de développer une méthode unifiée efficace pour les applications visées que sont la super résolution, la segmentation et la synthèse. La super-résolution est un procès d'estimation d'une image haute-résolution à partir d'une ou plusieurs images basses résolutions. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la super résolutionunique, c'est-à-dire que l'image haute résolution (HR) est estimée par une image basse-résolution (LR) correspondante. Augmenter la résolution de l'image grâce à la super-résolution est la clé d'une compréhension plus précise de l'anatomie. L'application de la super résolution permet d'obtenir des cartes de segmentation plus précises. Étant donné que deux bases de données qui contiennent les images différentes (par exemple, les images d'IRM et les images de CT), la synthèse est un procès d'estimation d'une image qui est approximative aux images dans la base de données de cible à partir d'une image de la base de données de source. Parfois, certains contrastes tissulaires ne peuvent pas être acquis pendant la séance d'imagerie en raison du temps et des coûts élevés ou de l'absence d'appareils. Une solution possible est à utiliser des méthodes de synthèse d'images médicales pour générer les images avec le contraste différent qui est manquée dans le domaine à cible à partir de l'image du domaine donnée. L'objectif des images synthétiques est d'améliorer d'autres étapes du traitement automatique des images médicales telles que la segmentation, la super-résolution ou l'enregistrement. Dans cette thèse, nous proposons les réseaux neurones pour la super résolutionet la synthèse d'image médicale. Les résultats démontrent le potentiel de la méthode que nous proposons en ce qui concerne les applications médicales pratiques. / In this thesis, our motivation is dedicated to studying the behaviors of different image representations and developing a method for super-resolution, cross-modal synthesis and segmentation of medical imaging. Super-Resolution aims to enhance the image resolution using single or multiple data acquisitions. In this work, we focus on single image super-resolution (SR) that estimates the high-resolution (HR) image from one corresponding low-resolution (LR) image. Increasing image resolution through SR is a key to more accurate understanding of the anatomy. The applications of super-resolution have been shown that applying super-resolution techniques leads to more accurate segmentation maps. Sometimes, certain tissue contrasts may not be acquired during the imaging session because of time-consuming, expensive costor lacking of devices. One possible solution is to use medical image cross-modal synthesis methods to generate the missing subject-specific scans in the desired target domain from the given source image domain. The objective of synthetic images is to improve other automatic medical image processing steps such as segmentation, super-resolution or registration. In this thesis, convolutional neural networks are applied to super-resolution and cross-modal synthesis in the context of supervised learning. In addition, an attempt to apply generative adversarial networks for unpaired cross-modal synthesis brain MRI is described. Results demonstrate the potential of deep learning methods with respect to practical medical applications.

Cette thèse aborde des problèmes liés à la localisation et reconnaissance d'objets urbains dans des images aériennes de très haute définition. Les objets urbains se caractérisent par une représentation très variable en terme de forme, texture et couleur. De plus, ils sont présents de multiples fois sur les images à analyser et peuvent être collés les uns aux autres. Pour effectuer la localisation et reconnaissance automatiquement des différents objets nous proposons d'utiliser des approches d'apprentissage supervisé. De part leurs caractéristiques, les objets urbains sont difficilement détectables et les approches classiques de détections n'offrent pas de performances satisfaisantes. Nous avons proposé l'utilisation d'un réseau de séparateurs à vaste marge (SVM) afin de mieux fusionner les informations issues des différentes résolutions et donc d'améliorer la représentativité de l'objet urbain. L'utilisation de réseau de SVM permet d'améliorer les performances mais à un coût calculatoire important. Nous avons alors proposé d'utiliser un chemin d'activation permettant de réduire la complexité sans perdre en efficacité. Ce chemin va activer le réseau de manière séquentielle et stoppera l'exploration lorsque la probabilité de détection d'un objet est importante. Dans le cas d'une localisation basée sur l'extraction de caractéristiques puis la classification, la réduction calculatoire est d'un facteur cinq. Par la suite, nous avons montré que nous pouvons combiner le réseau de SVM avec les cartes de caractéristiques issues de réseaux de neurones convolutifs. Cette architecture combinée avec le chemin d'activation permet une réduction théorique du coût d'activation pouvant aller jusqu'à 97% avec un gain de performances d'environ 8% sur les données utilisées. Les méthodes développées ont pour objectif d'être intégrées dans un logiciel de la société Berger-Levrault afin de faciliter et d'améliorer la gestion de cadastre dans les collectivités locales. / This thesis deals with the problems of automatic localization and recognition of urban objects in high-definition aerial images. Urban object detection is a challenging problem because they vary in appearance, color and size. Moreover, there are many urban objects which can be very close to each other in an image. The localization and the automatic recognition of different urban objects, considering these characteristics, are very difficult to detect and classical image processing algorithms do not lead to good performances. We propose then to use the supervised learning approach. In a first time, we have built a Support Vector Machine (SVM) network to merge different resolutions in an efficient way. However, this method highly increases the computational cost. We then proposed to use an “activation path” which reduces the complexity without any loss of efficiency. This path activates sequentially the network and stops the exploration when an urban object has a high probability of detection. In the case of localizations based on a feature extraction step followed by a classification step, this may reduce by a factor 5 the computational cost. Thereafter, we show that we can combine an SVM network with feature maps which have been extracted by a Convolutional Neural Network. Such an architecture associated with the activation path increased the performance by 8% on our database while giving a theoretical reduction of the computational costs up to 97%. We implemented all these new methods in order to be integrated in the software framework of Berger-Levrault company, to improve land registry for local communities.