Les modèles génératifs ont révolutionné le domaine de l'intelligence artificielle (IA). En particulier, des travaux récents sur les réseaux antagonistes génératifs (GAN) et les modèles de diffusion latente (LDM) ont montré des capacités de géneration d'image photoréaliste. Au moment de la rédaction de cette thèse, ces modèles sont sur le point de générer des données qui sont presque impossibles à distinguer de la réalité perçue par les humains. L'objectif de cette thèse est double : nous aimerions d'abord comprendre la dynamique d'apprentissage et d'inférence sous-jacente de ces modèles, puis utiliser ces connaissances pour améliorer et stabiliser leur entraînement, ainsi que pour améliorer l'utilité des données générées dans les applications en aval. Ce faisant, cette thèse propose trois articles visant à proposer une entraînement plus stable et une génération de données efficace. Dans le premier article, nous nous concentrons sur l’instabilité inhérente à la dynamique d’entraînement des GAN et d’autres classes de jeux min-max. Nous introduisons une technique efficace pour stabiliser l'entraînement en incorporant un coefficient négatif pour la méthode du moment, qui est une technique plutôt non conventionnelle de l'optimisation classique à objectif unique. Nous étudions et validons théoriquement et empiriquement l’effet du momentum négatif sur les jeux simples et les GAN saturants. Dans le deuxième article, notre recherche adopte une nouvelle perspective en modélisant les jeux min-max et les GAN, en tant que systèmes physiques. Ce changement conceptuel nous permet de mieux comprendre les dynamiques d'entrainement dans ces jeux et de modifier leur dynamique. En utilisant le principe de moindre action en physique, nous introduisons l'optimiseur LEAD spécialement conçu pour les jeux min-max. Nous explorons LEAD à la fois théoriquement et empiriquement, démontrant ses performances non seulement dans des jeux simplifiés mais également dans le contexte des GAN. Cette approche offre une nouvelle perspective physique sur l’optimisation des jeux, grâce à laquelle nous pouvons améliorer la dynamique d'entraînement des réseaux antagonistes génératifs. Le troisième article adopte une approche différente en se concentrant sur l'application pratique des modèles génératifs, en particulier des modèles de diffusion, pour applications en aval. Dans ce travail, nous exploitons le processus d’échantillonnage itératif unique des modèles de diffusion. Notre approche consiste a introduire une boucle de rétroaction qui utilise un classifieur pour changer le process génératif. Ce processus d'échantillonnage guidé par rétroaction permet la génération d'échantillons de données utiles et rares spécifiquement adaptés au classificateur concerné. Nos expériences démontrent que cette approche s'avère utile pour résoudre des tâches de classification déséquilibrées, en obtenant de nouveaux résultats de pointe tout en étant deux fois plus efficaces en termes de synthèse de données par rapport aux travaux précédents. Dans l'ensemble, ces trois articles visent à comprendre la dynamique d'entraînement et d'inférence des modèles génératifs et à utiliser leurs données synthétiques pour des applications pratiques. / Generative models have revolutionized the field of artificial intelligence (AI). Particularly, work on generative adversarial networks (GANs) and latent diffusion models (LDMs) have demonstrated extraordinary capacity in terms of sample quality. At the time of writing this thesis, these models are on the brink of generating data which are nearly indistinguishable from human-perceived reality. The objective of this thesis is twofold: first, to understand the underlying learning and inference dynamics of these models; and second, to use this knowledge to improve and stabilize their training, as well as to enhance the utility of the generated data in downstream applications. To that end, this thesis provides three articles aimed at more stable training and effective data generation. In the first article, our focus is on addressing the inherent instability in the training dynamics of GANs and other types of min-max games. We introduce an effective technique to alleviate the instability of these games by incorporating a negative coefficient for momentum—a rather unconventional recipe from classical single-objective optimization. We theoretically and empirically study and validate the effect of negative momentum on simple games and GANs with saturating loss. In the second article, our research takes a novel perspective by modeling min-max games and GANs, as physical systems. This conceptual shift allows for a deeper understanding of the dynamics at play and offers new ways to modify these dynamics. Using the principle of least action in physics, we introduce the LEAD optimizer, specifically designed for min-max games. We explore LEAD both theoretically and empirically, showcasing its effectiveness in both simplified games and within the context of GANs. This approach offers a novel and general physical perspective on game optimization. The third article shifts focus towards the practical application of generative models, particularly diffusion models, for downstream applications. We leverage the unique iterative sampling process inherent to diffusion models, guiding it with feedback from a pretrained classifier during the inference phase. This feedback-guided sampling process enables the generation of useful and rare data samples that are specifically tailored to the needs of the classifier at hand. Our experiments demonstrate that this approach proves useful in addressing imbalanced classification tasks, achieving new state-of-the-art results while being twice as efficient in terms of the amount of synthesized data required compared to previous work. All in all, these three articles take steps towards understanding the training and inference dynamics of generative models and utilizing their synthetic data for practical applications.

Cette thèse porte sur la classification automatique d'images, appliquée aux images acquises par alvéoscopie, une nouvelle technique d'imagerie du poumon profond. L'objectif est la conception et le développement d'un système d'aide au diagnostic permettant d'aider le praticien à analyser ces images jamais vues auparavant. Nous avons élaboré, au travers de deux contributions, des méthodes performantes, génériques et robustes permettant de classer de façon satisfaisante les images de patients sains et pathologiques. Nous avons proposé un premier système complet de classification basé à la fois sur une caractérisation locale et riche du contenu des images, une approche de classification par méthodes d'ensemble d'arbres aléatoires et un mécanisme de pilotage du rejet de décision, fournissant à l'expert médical un moyen de renforcer la fiabilité du système. Face à la complexité des images alvéoscopiques et la difficulté de caractériser les cas pathologiques, contrairement aux cas sains, nous nous sommes orientés vers la classification one-class qui permet d'apprendre à partir des seules données des cas sains. Nous avons alors proposé une approche one-class tirant partie des mécanismes de combinaison et d'injection d'aléatoire des méthodes d'ensemble d'arbres de décision pour répondre aux difficultés rencontrées dans les approches standards, notamment la malédiction de la dimension. Les résultats obtenus montrent que notre méthode est performante, robuste à la dimension, compétitive et même meilleure comparée aux méthodes de l'état de l'art sur une grande variété de bases publiques. Elle s'est notamment avérée pertinente pour notre problématique médicale.

Dans un contexte où des technologies et matériels nouveaux permettent un traitement en masse d'échantillons et où les données acquises sont de plus en plus partagées entre équipes de recherche, les scientifiques sont confrontés à un problème majeur d'exploitation de données. Plus précisément, utiliser ces données par des outils de fouille de données ou les replacer dans une démarche expérimentale classique nécessite une appréhension préalable de l'espace informationnel disponible afin de diriger le processus. Or cette appréhension de données est un problème complexe, peu supporté par les outils informatiques actuels. <br /><br />L'objectif de cette thèse est de proposer une solution à ce problème d'appréhension des données scientifiques. Illustrée dans le domaine applicatif des Tissue MicroArrays, la proposition se base sur la notion de synthèse, inspirée des paradigmes de Recherche d'Information. Le modèle de synthèse envisagé, qui donne un rôle central à l'étude que le chercheur veut mener, par la notion de tâche, permet l'opérationnalisation d'un concept de Recherche d'Information orientée tâche par un prototype. Le prototype mis en place est validé par des étude de cas et une étude utilisateurs et ouvre des perspectives intéressantes d'extension du modèle ou d'extension à d'autres domaines applicatifs.