Des avancées significatives sur les réseaux de neurones profonds ont récemment permis le développement de technologies importantes comme les voitures autonomes et les assistants personnels intelligents basés sur la commande vocale. La plupart des succès en apprentissage profond concernent la prédiction, alors que les percées initiales viennent des modèles génératifs. Actuellement, même s'il existe des outils puissants dans la littérature des modèles génératifs basés sur les réseaux profonds, ces techniques sont essentiellement utilisées pour la prédiction ou pour générer des objets connus (i.e., des images de haute qualité qui appartiennent à des classes connues) : un objet généré qui est à priori inconnu est considéré comme une erreur (Salimans et al., 2016) ou comme un objet fallacieux (Bengio et al., 2013b). En d'autres termes, quand la prédiction est considérée comme le seul objectif possible, la nouveauté est vue comme une erreur - que les chercheurs ont essayé d'éliminer au maximum. Cette thèse défends le point de vue que, plutôt que d'éliminer ces nouveautés, on devrait les étudier et étudier le potentiel génératif des réseaux neuronaux pour créer de la nouveauté utile - particulièrement sachant l'importance économique et sociétale de la création d'objets nouveaux dans les sociétés contemporaines. Cette thèse a pour objectif d'étudier la génération de la nouveauté et sa relation avec les modèles de connaissance produits par les réseaux neurones profonds génératifs. Notre première contribution est la démonstration de l'importance des représentations et leur impact sur le type de nouveautés qui peuvent être générées : une conséquence clé est qu'un agent créatif a besoin de re-représenter les objets connus et utiliser cette représentation pour générer des objets nouveaux. Ensuite, on démontre que les fonctions objectives traditionnelles utilisées dans la théorie de l'apprentissage statistique, comme le maximum de vraisemblance, ne sont pas nécessairement les plus adaptées pour étudier la génération de nouveauté. On propose plusieurs alternatives à un niveau conceptuel. Un deuxième résultat clé est la confirmation que les modèles actuels - qui utilisent les fonctions objectives traditionnelles - peuvent en effet générer des objets inconnus. Cela montre que même si les fonctions objectives comme le maximum de vraisemblance s'efforcent à éliminer la nouveauté, les implémentations en pratique échouent à le faire. A travers une série d'expérimentations, on étudie le comportement de ces modèles ainsi que les objets qu'ils génèrent. En particulier, on propose une nouvelle tâche et des métriques pour la sélection de bons modèles génératifs pour la génération de la nouveauté. Finalement, la thèse conclue avec une série d'expérimentations qui clarifie les caractéristiques des modèles qui génèrent de la nouveauté. Les expériences montrent que la sparsité, le niveaux du niveau de corruption et la restriction de la capacité des modèles tuent la nouveauté et que les modèles qui arrivent à reconnaître des objets nouveaux arrivent généralement aussi à générer de la nouveauté. / In recent years, significant advances made in deep neural networks enabled the creation of groundbreaking technologies such as self-driving cars and voice-enabled personal assistants. Almost all successes of deep neural networks are about prediction, whereas the initial breakthroughs came from generative models. Today, although we have very powerful deep generative modeling techniques, these techniques are essentially being used for prediction or for generating known objects (i.e., good quality images of known classes): any generated object that is a priori unknown is considered as a failure mode (Salimans et al., 2016) or as spurious (Bengio et al., 2013b). In other words, when prediction seems to be the only possible objective, novelty is seen as an error that researchers have been trying hard to eliminate. This thesis defends the point of view that, instead of trying to eliminate these novelties, we should study them and the generative potential of deep nets to create useful novelty, especially given the economic and societal importance of creating new objects in contemporary societies. The thesis sets out to study novelty generation in relationship with data-driven knowledge models produced by deep generative neural networks. Our first key contribution is the clarification of the importance of representations and their impact on the kind of novelties that can be generated: a key consequence is that a creative agent might need to rerepresent known objects to access various kinds of novelty. We then demonstrate that traditional objective functions of statistical learning theory, such as maximum likelihood, are not necessarily the best theoretical framework for studying novelty generation. We propose several other alternatives at the conceptual level. A second key result is the confirmation that current models, with traditional objective functions, can indeed generate unknown objects. This also shows that even though objectives like maximum likelihood are designed to eliminate novelty, practical implementations do generate novelty. Through a series of experiments, we study the behavior of these models and the novelty they generate. In particular, we propose a new task setup and metrics for selecting good generative models. Finally, the thesis concludes with a series of experiments clarifying the characteristics of models that can exhibit novelty. Experiments show that sparsity, noise level, and restricting the capacity of the net eliminates novelty and that models that are better at recognizing novelty are also good at generating novelty.

Extraire une représentation de tous les facteurs de haut niveau de l'état d'un agent à partir d'informations sensorielles de bas niveau est une tâche importante, mais difficile, dans l'apprentissage automatique. Dans ce memoire, nous explorerons plusieurs approches non supervisées pour apprendre ces représentations. Nous appliquons et analysons des méthodes d'apprentissage de représentations non supervisées existantes dans des environnements d'apprentissage par renforcement, et nous apportons notre propre suite d'évaluations et notre propre méthode novatrice d'apprentissage de représentations d'état. Dans le premier chapitre de ce travail, nous passerons en revue et motiverons l'apprentissage non supervisé de représentations pour l'apprentissage automatique en général et pour l'apprentissage par renforcement. Nous introduirons ensuite un sous-domaine relativement nouveau de l'apprentissage de représentations : l'apprentissage auto-supervisé. Nous aborderons ensuite deux approches fondamentales de l'apprentissage de représentations, les méthodes génératives et les méthodes discriminatives. Plus précisément, nous nous concentrerons sur une collection de méthodes discriminantes d'apprentissage de représentations, appelées méthodes contrastives d'apprentissage de représentations non supervisées (CURL). Nous terminerons le premier chapitre en détaillant diverses approches pour évaluer l'utilité des représentations. Dans le deuxième chapitre, nous présenterons un article de workshop dans lequel nous évaluons un ensemble de méthodes d'auto-supervision standards pour les problèmes d'apprentissage par renforcement. Nous découvrons que la performance de ces représentations dépend fortement de la dynamique et de la structure de l'environnement. À ce titre, nous déterminons qu'une étude plus systématique des environnements et des méthodes est nécessaire. Notre troisième chapitre couvre notre deuxième article, Unsupervised State Representation Learning in Atari, où nous essayons d'effectuer une étude plus approfondie des méthodes d'apprentissage de représentations en apprentissage par renforcement, comme expliqué dans le deuxième chapitre. Pour faciliter une évaluation plus approfondie des représentations en apprentissage par renforcement, nous introduisons une suite de 22 jeux Atari entièrement labellisés. De plus, nous choisissons de comparer les méthodes d'apprentissage de représentations de façon plus systématique, en nous concentrant sur une comparaison entre méthodes génératives et méthodes contrastives, plutôt que les méthodes générales du deuxième chapitre choisies de façon moins systématique. Enfin, nous introduisons une nouvelle méthode contrastive, ST-DIM, qui excelle sur ces 22 jeux Atari. / Extracting a representation of all the high-level factors of an agent’s state from level-level sensory information is an important, but challenging task in machine learning. In this thesis, we will explore several unsupervised approaches for learning these state representations. We apply and analyze existing unsupervised representation learning methods in reinforcement learning environments, as well as contribute our own evaluation benchmark and our own novel state representation learning method. In the first chapter, we will overview and motivate unsupervised representation learning for machine learning in general and for reinforcement learning. We will then introduce a relatively new subfield of representation learning: self-supervised learning. We will then cover two core representation learning approaches, generative methods and discriminative methods. Specifically, we will focus on a collection of discriminative representation learning methods called contrastive unsupervised representation learning (CURL) methods. We will close the first chapter by detailing various approaches for evaluating the usefulness of representations. In the second chapter, we will present a workshop paper, where we evaluate a handful of off-the-shelf self-supervised methods in reinforcement learning problems. We discover that the performance of these representations depends heavily on the dynamics and visual structure of the environment. As such, we determine that a more systematic study of environments and methods is required. Our third chapter covers our second article, Unsupervised State Representation Learning in Atari, where we try to execute a more thorough study of representation learning methods in RL as motivated by the second chapter. To facilitate a more thorough evaluation of representations in RL we introduce a benchmark of 22 fully labelled Atari games. In addition, we choose the representation learning methods for comparison in a more systematic way by focusing on comparing generative methods with contrastive methods, instead of the less systematically chosen off-the-shelf methods from the second chapter. Finally, we introduce a new contrastive method, ST-DIM, which excels at the 22 Atari games.

Variational Auto-Encoders (VAEs) are one of the most famous deep generative models. After showing that standard VAEs may not preserve the topology, that is the shape of the data, between the input and the latent space, we tried to modify them so that the topology is preserved. This would help in particular for performing interpolations in the latent space. Our main contribution is two folds. Firstly, we propose successfully the InvMap-VAE which is a simple way to turn any dimensionality reduction technique, given its embedding, into a generative model within a VAE framework providing an inverse mapping, with all the advantages that this implies. Secondly, we propose the Witness Simplicial VAE as an extension of the Simplicial Auto-Encoder to the variational setup using a Witness Complex for computing a simplicial regularization. The Witness Simplicial VAE is independent of any dimensionality reduction technique and seems to better preserve the persistent Betti numbers of a data set than a standard VAE, although it would still need some further improvements. Finally, the two first chapters of this master thesis can also be used as an introduction to Topological Data Analysis, General Topology and Computational Topology (or Algorithmic Topology), for any machine learning student, engineer or researcher interested in these areas with no background in topology. / Variations autokodare (VAE) är en av de mest kända djupa generativa modellerna. Efter att ha visat att standard VAE inte nödvändigtvis bevarar topologiska egenskaper, det vill säga formen på datan, mellan inmatningsdatan och det latenta rummet, försökte vi modifiera den så att topologin är bevarad. Det här skulle i synnerhet underlätta när man genomför interpolering i det latenta rummet. Denna avhandling består av två centrala bidrag. I första hand så utvecklar vi InvMap-VAE, som är en enkel metod att omvandla vilken metod inom dimensionalitetsreducering, givet dess inbäddning, till en generativ modell inom VAE ramverket, vilket ger en invers avbildning och dess tillhörande fördelar. För det andra så presenterar vi Witness Simplicial VAE som en förlängning av en Simplicial Auto-Encoder till dess variationella variant genom att använda ett vittneskomplex för att beräkna en simpliciel regularisering. Witness Simplicial VAE är oberoende av dimensionalitets reducerings teknik och verkar bättre bevara Betti-nummer av ett dataset än en vanlig VAE, även om det finns utrymme för förbättring. Slutligen så kan de första två kapitlena av detta examensarbete också användas som en introduktion till Topologisk Data Analys, Allmän Topologi och Beräkningstopologi (eller Algoritmisk Topologi) till vilken maskininlärnings student, ingenjör eller forskare som är intresserad av dessa ämnesområden men saknar bakgrund i topologi.