Cette thèse présente de nouvelles méthodes pour l'application de la prédiction structurée en vision numérique et en imagerie médicale.Nos nouvelles contributions suivent quatre axes majeurs.La première partie de cette thèse étudie le problème d'inférence d'ordre supérieur.Nous présentons une nouvelle famille de problèmes de minimisation d'énergie discrète, l'étiquetage parcimonieux, encourageant la parcimonie des étiquettes.C'est une extension naturelle des problèmes connus d'étiquetage de métriques aux potentiels d'ordre élevé.Nous proposons par ailleurs une généralisation du modèle Pn-Potts, le modèle Pn-Potts hiérarchique.Enfin, nous proposons un algorithme parallélisable à proposition de mouvements avec de fortes bornes multiplicatives pour l'optimisation du modèle Pn-Potts hiérarchique et l'étiquetage parcimonieux.La seconde partie de cette thèse explore le problème de classement en utilisant de l'information d'ordre élevé.Nous introduisons deux cadres différents pour l'incorporation d'information d'ordre élevé dans le problème de classement.Le premier modèle, que nous nommons SVM binaire d'ordre supérieur (HOB-SVM), optimise une borne supérieure convexe sur l'erreur 0-1 pondérée tout en incorporant de l'information d'ordre supérieur en utilisant un vecteur de charactéristiques jointes.Le classement renvoyé par HOB-SVM est obtenu en ordonnant les exemples selon la différence entre la max-marginales de l'affectation d'un exemple à la classe associée et la max-marginale de son affectation à la classe complémentaire.Le second modèle, appelé AP-SVM d'ordre supérieur (HOAP-SVM), s'inspire d'AP-SVM et de notre premier modèle, HOB-SVM.Le modèle correspond à une optimisation d'une borne supérieure sur la précision moyenne, à l'instar d'AP-SVM, qu'il généralise en permettant également l'incorporation d'information d'ordre supérieur.Nous montrons comment un optimum local du problème d'apprentissage de HOAP-SVM peut être déterminé efficacement grâce à la procédure concave-convexe.En utilisant des jeux de données standards, nous montrons empiriquement que HOAP-SVM surpasse les modèles de référence en utilisant efficacement l'information d'ordre supérieur tout en optimisant directement la fonction d'erreur appropriée.Dans la troisième partie, nous proposons un nouvel algorithme, SSVM-RP, pour obtenir un chemin de régularisation epsilon-optimal pour les SVM structurés.Nous présentons également des variantes intuitives de l'algorithme Frank-Wolfe pour l'optimisation accélérée de SSVM-RP.De surcroît, nous proposons une approche systématique d'optimisation des SSVM avec des contraintes additionnelles de boîte en utilisant BCFW et ses variantes.Enfin, nous proposons un algorithme de chemin de régularisation pour SSVM avec des contraintes additionnelles de positivité/negativité.Dans la quatrième et dernière partie de la thèse, en appendice, nous montrons comment le cadre de l'apprentissage semi-supervisé des SVM à variables latentes peut être employé pour apprendre les paramètres d'un problème complexe de recalage déformable.Nous proposons un nouvel algorithme discriminatif semi-supervisé pour apprendre des métriques de recalage spécifiques au contexte comme une combinaison linéaire des métriques conventionnelles.Selon l'application, les métriques traditionnelles sont seulement partiellement sensibles aux propriétés anatomiques des tissus.Dans ce travail, nous cherchons à déterminer des métriques spécifiques à l'anatomie et aux tissus, par agrégation linéaire de métriques connues.Nous proposons un algorithme d'apprentissage semi-supervisé pour estimer ces paramètres conditionnellement aux classes sémantiques des données, en utilisant un jeu de données faiblement annoté.Nous démontrons l'efficacité de notre approche sur trois jeux de données particulièrement difficiles dans le domaine de l'imagerie médicale, variables en terme de structures anatomiques et de modalités d'imagerie. / This thesis develops novel methods to enable the use of structured prediction in computer vision and medical imaging. Specifically, our contributions are four fold. First, we propose a new family of high-order potentials that encourage parsimony in the labeling, and enable its use by designing an accurate graph cuts based algorithm to minimize the corresponding energy function. Second, we show how the average precision SVM formulation can be extended to incorporate high-order information for ranking. Third, we propose a novel regularization path algorithm for structured SVM. Fourth, we show how the weakly supervised framework of latent SVM can be employed to learn the parameters for the challenging deformable registration problem.In more detail, the first part of the thesis investigates the high-order inference problem. Specifically, we present a novel family of discrete energy minimization problems, which we call parsimonious labeling. It is a natural generalization of the well known metric labeling problems for high-order potentials. In addition to this, we propose a generalization of the Pn-Potts model, which we call Hierarchical Pn-Potts model. In the end, we propose parallelizable move making algorithms with very strong multiplicative bounds for the optimization of the hierarchical Pn-Potts model and the parsimonious labeling.Second part of the thesis investigates the ranking problem while using high-order information. Specifically, we introduce two alternate frameworks to incorporate high-order information for the ranking tasks. The first framework, which we call high-order binary SVM (HOB-SVM), optimizes a convex upperbound on weighted 0-1 loss while incorporating high-order information using joint feature map. The rank list for the HOB-SVM is obtained by sorting samples using max-marginals based scores. The second framework, which we call high-order AP-SVM (HOAP-SVM), takes its inspiration from AP-SVM and HOB-SVM (our first framework). Similar to AP-SVM, it optimizes upper bound on average precision. However, unlike AP-SVM and similar to HOB-SVM, it can also encode high-order information. The main disadvantage of HOAP-SVM is that estimating its parameters requires solving a difference-of-convex program. We show how a local optimum of the HOAP-SVM learning problem can be computed efficiently by the concave-convex procedure. Using standard datasets, we empirically demonstrate that HOAP-SVM outperforms the baselines by effectively utilizing high-order information while optimizing the correct loss function.In the third part of the thesis, we propose a new algorithm SSVM-RP to obtain epsilon-optimal regularization path of structured SVM. We also propose intuitive variants of the Block-Coordinate Frank-Wolfe algorithm (BCFW) for the faster optimization of the SSVM-RP algorithm. In addition to this, we propose a principled approach to optimize the SSVM with additional box constraints using BCFW and its variants. In the end, we propose regularization path algorithm for SSVM with additional positivity/negativity constraints.In the fourth and the last part of the thesis (Appendix), we propose a novel weakly supervised discriminative algorithm for learning context specific registration metrics as a linear combination of conventional metrics. Conventional metrics can cope partially - depending on the clinical context - with tissue anatomical properties. In this work we seek to determine anatomy/tissue specific metrics as a context-specific aggregation/linear combination of known metrics. We propose a weakly supervised learning algorithm for estimating these parameters conditionally to the data semantic classes, using a weak training dataset. We show the efficacy of our approach on three highly challenging datasets in the field of medical imaging, which vary in terms of anatomical structures and image modalities.

Dans cet article, nous présentons une nouvelle approche de détection multi-classes basée sur un parcours hiérarchique de classifieurs appris simultanément. Pour plus de robustesse et de rapidité, nous proposons d’utiliser un arbre de classes d’objets. Notre modèle de détection est appris en combinant les contraintes de tri et de classification dans un seul problème d’optimisation. Notre formulation convexe permet d’utiliser un algorithme de recherche pour accélérer le temps d’exécution. Nous avons mené des évaluations de notre algorithme sur les benchmarks PASCAL VOC (2007 et 2010). Comparé à l’approche un-contre-tous, notre méthode améliore les performances pour 20 classes et gagne 10x en vitesse. / Recent years have witnessed a competition in autonomous navigation for vehicles boosted by the advances in computer vision. The on-board cameras are capable of understanding the semantic content of the environment. A core component of this system is to localize and classify objects in urban scenes. There is a need to have multi-class object detection systems. Designing such an efficient system is a challenging and active research area. The algorithms can be found for applications in autonomous driving, object searches in images or video surveillance. The scale of object classes varies depending on the tasks. The datasets for object detection started with containing one class only e.g. the popular INRIA Person dataset. Nowadays, we witness an expansion of the datasets consisting of more training data or number of object classes. This thesis proposes a solution to efficiently learn a multi-class object detector. The task of such a system is to localize all instances of target object classes in an input image. We distinguish between three major efficiency criteria. First, the detection performance measures the accuracy of detection. Second, we strive low execution times during run-time. Third, we address the scalability of our novel detection framework. The two previous criteria should scale suitably with the number of input classes and the training algorithm has to take a reasonable amount of time when learning with these larger datasets. Although single-class object detection has seen a considerable improvement over the years, it still remains a challenge to create algorithms that work well with any number of classes. Most works on this subject extent these single-class detectors to work accordingly with multiple classes but remain hardly flexible to new object descriptors. Moreover, they do not consider all these three criteria at the same time. Others use a more traditional approach by iteratively executing a single-class detector for each target class which scales linearly in training time and run-time. To tackle the challenges, we present a novel framework where for an input patch during detection the closest class is ranked highest. Background labels are rejected as negative samples. The detection goal is to find the highest scoring class. To this end, we derive a convex problem formulation that combines ranking and classification constraints. The accuracy of the system is improved by hierarchically arranging the classes into a tree of classifiers. The leaf nodes represent the individual classes and the intermediate nodes called super-classes group recursively these classes together. The super-classes benefit from the shared knowledge of their descending classes. All these classifiers are learned in a joint optimization problem along with the previouslymentioned constraints. The increased number of classifiers are prohibitive to rapid execution times. The formulation of the detection goal naturally allows to use an adapted tree traversal algorithm to progressively search for the best class but reject early in the detection process the background samples and consequently reduce the system’s run-time. Our system balances between detection performance and speed-up. We further experimented with feature reduction to decrease the overhead of applying the high-level classifiers in the tree. The framework is transparent to the used object descriptor where we implemented the histogram of orientated gradients and deformable part model both introduced in [Felzenszwalb et al., 2010a]. The capabilities of our system are demonstrated on two challenging datasets containing different object categories not necessarily semantically related. We evaluate both the detection performance with different number of classes and the scalability with respect to run-time. Our experiments show that this framework fulfills the requirements of a multi-class object detector and highlights the advantages of structuring class-level knowledge.