Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de la détection d’objets faiblement supervisée. Le but est de reconnaître et de localiser des objets dans les images, n’ayant à notre disposition durant la phase d’apprentissage que des images partiellement annotées au niveau des objets. Pour cela, nous avons proposé deux méthodes basées sur des modèles différents. Pour la première méthode, nous avons proposé une amélioration de l’approche ”Deformable Part-based Models” (DPM) faiblement supervisée, en insistant sur l’importance de la position et de la taille du filtre racine initial spécifique à la classe. Tout d’abord, un ensemble de candidats est calculé, ceux-ci représentant les positions possibles de l’objet pour le filtre racine initial, en se basant sur une mesure générique d’objectness (par region proposals) pour combiner les régions les plus saillantes et potentiellement de bonne qualité. Ensuite, nous avons proposé l’apprentissage du label des classes latentes de chaque candidat comme un problème de classification binaire, en entrainant des classifieurs spécifiques pour chaque catégorie afin de prédire si les candidats sont potentiellement des objets cible ou non. De plus, nous avons amélioré la détection en incorporant l’information contextuelle à partir des scores de classification de l’image. Enfin, nous avons élaboré une procédure de post-traitement permettant d’élargir et de contracter les régions fournies par le DPM afin de les adapter efficacement à la taille de l’objet, augmentant ainsi la précision finale de la détection. Pour la seconde approche, nous avons étudié dans quelle mesure l’information tirée des objets similaires d’un point de vue visuel et sémantique pouvait être utilisée pour transformer un classifieur d’images en détecteur d’objets d’une manière semi-supervisée sur un large ensemble de données, pour lequel seul un sous-ensemble des catégories d’objets est annoté avec des boîtes englobantes nécessaires pour l’apprentissage des détecteurs. Nous avons proposé de transformer des classifieurs d’images basés sur des réseaux convolutionnels profonds (Deep CNN) en détecteurs d’objets en modélisant les différences entre les deux en considérant des catégories disposant à la fois de l’annotation au niveau de l’image globale et l’annotation au niveau des boîtes englobantes. Cette information de différence est ensuite transférée aux catégories sans annotation au niveau des boîtes englobantes, permettant ainsi la conversion de classifieurs d’images en détecteurs d’objets. Nos approches ont été évaluées sur plusieurs jeux de données tels que PASCAL VOC, ImageNet ILSVRC et Microsoft COCO. Ces expérimentations ont démontré que nos approches permettent d’obtenir des résultats comparables à ceux de l’état de l’art et qu’une amélioration significative a pu être obtenue par rapport à des méthodes récentes de détection d’objets faiblement supervisées. / In this dissertation we address the problem of weakly supervised object detection, wherein the goal is to recognize and localize objects in weakly-labeled images where object-level annotations are incomplete during training. To this end, we propose two methods which learn two different models for the objects of interest. In our first method, we propose a model enhancing the weakly supervised Deformable Part-based Models (DPMs) by emphasizing the importance of location and size of the initial class-specific root filter. We first compute a candidate pool that represents the potential locations of the object as this root filter estimate, by exploring the generic objectness measurement (region proposals) to combine the most salient regions and “good” region proposals. We then propose learning of the latent class label of each candidate window as a binary classification problem, by training category-specific classifiers used to coarsely classify a candidate window into either a target object or a non-target class. Furthermore, we improve detection by incorporating the contextual information from image classification scores. Finally, we design a flexible enlarging-and-shrinking post-processing procedure to modify the DPMs outputs, which can effectively match the approximate object aspect ratios and further improve final accuracy. Second, we investigate how knowledge about object similarities from both visual and semantic domains can be transferred to adapt an image classifier to an object detector in a semi-supervised setting on a large-scale database, where a subset of object categories are annotated with bounding boxes. We propose to transform deep Convolutional Neural Networks (CNN)-based image-level classifiers into object detectors by modeling the differences between the two on categories with both image-level and bounding box annotations, and transferring this information to convert classifiers to detectors for categories without bounding box annotations. We have evaluated both our approaches extensively on several challenging detection benchmarks, e.g. , PASCAL VOC, ImageNet ILSVRC and Microsoft COCO. Both our approaches compare favorably to the state-of-the-art and show significant improvement over several other recent weakly supervised detection methods.

La régulation des gènes est fortement contrôlée afin d’assurer une large variété de types cellulaires ayant des fonctions spécifiques. Ces contrôles prennent place à différents niveaux et sont associés à différentes régions génomiques régulatrices. Il est donc essentiel de comprendre les mécanismes à la base des régulations géniques dans les différents types cellulaires, dans le but d’identifier les régulateurs clés. Plusieurs études tentent de mieux comprendre les mécanismes de régulation en modulant l’expression des gènes par des approches épigénétiques. Cependant, ces approches sont basées sur des données expérimentales limitées à quelques échantillons, et sont à la fois couteuses et chronophages. Par ailleurs, les constituants nécessaires à la régulation des gènes au niveau des séquences ne peut pas être capturées par ces approches. L’objectif principal de cette thèse est d’expliquer l’expression des ARNm en se basant uniquement sur les séquences d’ADN.Dans une première partie, nous utilisons le modèle de régression linéaire avec pénalisation Lasso pour prédire l’expression des gènes par l’intermédiaire des caractéristique de l’ADN comme la composition nucléotidique et les sites de fixation des facteurs de transcription. La précision de cette approche a été mesurée sur plusieurs données provenant de la base de donnée TCGA et nous avons trouvé des performances similaires aux modèles ajustés aux données expérimentales. Nous avons montré que la composition nucléotidique a un impact majeur sur l’expression des gènes. De plus, l’influence de chaque régions régulatrices est évaluée et l’effet du corps de gène, spécialement les introns semble être clé dans la prédiction de l’expression. En second partie, nous présentons une tentative d’amélioration des performances du modèle. D’abord, nous considérons inclure dans le modèles les interactions entres les différents variables et appliquer des transformations non linéaires sur les variables prédictives. Cela induit une légère augmentation des performances du modèles. Pour aller plus loin, des modèles d’apprentissage profond sont étudiés. Deux types de réseaux de neurones sont considérés : Les perceptrons multicouches et les réseaux de convolutions.Les paramètres de chaque neurone sont optimisés. Les performances des deux types de réseaux semblent être plus élevées que celles du modèle de régression linéaire pénalisée par Lasso. Les travaux de cette thèse nous ont permis (i) de démontrer l’existence des instructions au niveau de la séquence en relation avec l’expression des gènes, et (ii) de fournir différents cadres de travail basés sur des approches complémentaires. Des travaux complémentaires sont en cours en particulier sur le deep learning, dans le but de détecter des informations supplémentaires présentes dans les séquences. / Gene regulation is tightly controlled to ensure a wide variety of cell types and functions. These controls take place at different levels and are associated with different genomic regulatory regions. An actual challenge is to understand how the gene regulation machinery works in each cell type and to identify the most important regulators. Several studies attempt to understand the regulatory mechanisms by modeling gene expression using epigenetic marks. Nonetheless, these approaches rely on experimental data which are limited to some samples, costly and time-consuming. Besides, the important component of gene regulation based at the sequence level cannot be captured by these approaches. The main objective of this thesis is to explain mRNA expression based only on DNA sequences features. In a first work, we use Lasso penalized linear regression to predict gene expression using DNA features such as transcription factor binding site (motifs) and nucleotide compositions. We measured the accuracy of our approach on several data from the TCGA database and find similar performance as that of models fitted with experimental data. In addition, we show that nucleotide compositions of different regulatory regions have a major impact on gene expression. Furthermore, we rank the influence of each regulatory regions and show a strong effect of the gene body, especially introns.In a second part, we try to increase the performances of the model. We first consider adding interactions between nucleotide compositions and applying non-linear transformations on predictive variables. This induces a slight increase in model performances.To go one step further, we then learn deep neuronal networks. We consider two types of neural networks: multilayer perceptrons and convolution networks. Hyperparameters of each network are optimized. The performances of both types of networks appear slightly higher than those of a Lasso penalized linear model. In this thesis, we were able to (i) demonstrate the existence of sequence-level instructions for gene expression and (ii) provide different frameworks based on complementary approaches. Additional work is ongoing, in particular with the last direction based on deep learning, with the aim of detecting additional information present in the sequence.

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L'apprentissage machine (AM) est un outil important dans le domaine de la recherche d'information musicale (Music Information Retrieval ou MIR). De nombreuses tâches de MIR peuvent être résolues en entraînant un classifieur sur un ensemble de caractéristiques. Pour les tâches de MIR se basant sur l'audio musical, il est possible d'extraire de l'audio les caractéristiques pertinentes à l'aide de méthodes traitement de signal. Toutefois, certains aspects musicaux sont difficiles à extraire à l'aide de simples heuristiques. Afin d'obtenir des caractéristiques plus riches, il est possible d'utiliser l'AM pour apprendre une représentation musicale à partir de l'audio. Ces caractéristiques apprises permettent souvent d'améliorer la performance sur une tâche de MIR donnée. Afin d'apprendre des représentations musicales intéressantes, il est important de considérer les aspects particuliers à l'audio musical dans la conception des modèles d'apprentissage. Vu la structure temporelle et spectrale de l'audio musical, les représentations profondes et multiéchelles sont particulièrement bien conçues pour représenter la musique. Cette thèse porte sur l'apprentissage de représentations de l'audio musical. Des modèles profonds et multiéchelles améliorant l'état de l'art pour des tâches telles que la reconnaissance d'instrument, la reconnaissance de genre et l'étiquetage automatique y sont présentés. / Machine learning (ML) is an important tool in the field of music information retrieval (MIR). Many MIR tasks can be solved by training a classifier over a set of features. For MIR tasks based on music audio, it is possible to extract features from the audio with signal processing techniques. However, some musical aspects are hard to extract with simple heuristics. To obtain richer features, we can use ML to learn a representation from the audio. These learned features can often improve performance for a given MIR task. In order to learn interesting musical representations, it is important to consider the particular aspects of music audio when building learning models. Given the temporal and spectral structure of music audio, deep and multi-scale representations are particularly well suited to represent music. This thesis focuses on learning representations from music audio. Deep and multi-scale models that improve the state-of-the-art for tasks such as instrument recognition, genre recognition and automatic annotation are presented.

Les tâches de vision artificielle telles que la reconnaissance d’objets demeurent irrésolues à ce jour. Les algorithmes d’apprentissage tels que les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA), représentent une approche prometteuse permettant d’apprendre des caractéristiques utiles pour ces tâches. Ce processus d’optimisation est néanmoins difficile. Les réseaux profonds à base de Machine de Boltzmann Restreintes (RBM) ont récemment été proposés afin de guider l’extraction de représentations intermédiaires, grâce à un algorithme d’apprentissage non-supervisé. Ce mémoire présente, par l’entremise de trois articles, des contributions à ce domaine de recherche. Le premier article traite de la RBM convolutionelle. L’usage de champs réceptifs locaux ainsi que le regroupement d’unités cachées en couches partageant les même paramètres, réduit considérablement le nombre de paramètres à apprendre et engendre des détecteurs de caractéristiques locaux et équivariant aux translations. Ceci mène à des modèles ayant une meilleure vraisemblance, comparativement aux RBMs entraînées sur des segments d’images. Le deuxième article est motivé par des découvertes récentes en neurosciences. Il analyse l’impact d’unités quadratiques sur des tâches de classification visuelles, ainsi que celui d’une nouvelle fonction d’activation. Nous observons que les RNAs à base d’unités quadratiques utilisant la fonction softsign, donnent de meilleures performances de généralisation. Le dernière article quand à lui, offre une vision critique des algorithmes populaires d’entraînement de RBMs. Nous montrons que l’algorithme de Divergence Contrastive (CD) et la CD Persistente ne sont pas robustes : tous deux nécessitent une surface d’énergie relativement plate afin que leur chaîne négative puisse mixer. La PCD à "poids rapides" contourne ce problème en perturbant légèrement le modèle, cependant, ceci génère des échantillons bruités. L’usage de chaînes tempérées dans la phase négative est une façon robuste d’adresser ces problèmes et mène à de meilleurs modèles génératifs. / High-level vision tasks such as generic object recognition remain out of reach for modern Artificial Intelligence systems. A promising approach involves learning algorithms, such as the Arficial Neural Network (ANN), which automatically learn to extract useful features for the task at hand. For ANNs, this represents a difficult optimization problem however. Deep Belief Networks have thus been proposed as a way to guide the discovery of intermediate representations, through a greedy unsupervised training of stacked Restricted Boltzmann Machines (RBM). The articles presented here-in represent contributions to this field of research. The first article introduces the convolutional RBM. By mimicking local receptive fields and tying the parameters of hidden units within the same feature map, we considerably reduce the number of parameters to learn and enforce local, shift-equivariant feature detectors. This translates to better likelihood scores, compared to RBMs trained on small image patches. In the second article, recent discoveries in neuroscience motivate an investigation into the impact of higher-order units on visual classification, along with the evaluation of a novel activation function. We show that ANNs with quadratic units using the softsign activation function offer better generalization error across several tasks. Finally, the third article gives a critical look at recently proposed RBM training algorithms. We show that Contrastive Divergence (CD) and Persistent CD are brittle in that they require the energy landscape to be smooth in order for their negative chain to mix well. PCD with fast-weights addresses the issue by performing small model perturbations, but may result in spurious samples. We propose using simulated tempering to draw negative samples. This leads to better generative models and increased robustness to various hyperparameters.

Les humains communiquent via différents types de canaux: les mots, la voix, les gestes du corps, des émotions, etc. Pour cette raison, un ordinateur doit percevoir ces divers canaux de communication pour pouvoir interagir intelligemment avec les humains, par exemple en faisant usage de microphones et de webcams. Dans cette thèse, nous nous intéressons à déterminer les émotions humaines à partir d’images ou de vidéo de visages afin d’ensuite utiliser ces informations dans différents domaines d’applications. Ce mémoire débute par une brève introduction à l'apprentissage machine en s’attardant aux modèles et algorithmes que nous avons utilisés tels que les perceptrons multicouches, réseaux de neurones à convolution et autoencodeurs. Elle présente ensuite les résultats de l'application de ces modèles sur plusieurs ensembles de données d'expressions et émotions faciales. Nous nous concentrons sur l'étude des différents types d’autoencodeurs (autoencodeur débruitant, autoencodeur contractant, etc) afin de révéler certaines de leurs limitations, comme la possibilité d'obtenir de la coadaptation entre les filtres ou encore d’obtenir une courbe spectrale trop lisse, et étudions de nouvelles idées pour répondre à ces problèmes. Nous proposons également une nouvelle approche pour surmonter une limite des autoencodeurs traditionnellement entrainés de façon purement non-supervisée, c'est-à-dire sans utiliser aucune connaissance de la tâche que nous voulons finalement résoudre (comme la prévision des étiquettes de classe) en développant un nouveau critère d'apprentissage semi-supervisé qui exploite un faible nombre de données étiquetées en combinaison avec une grande quantité de données non-étiquetées afin d'apprendre une représentation adaptée à la tâche de classification, et d'obtenir une meilleure performance de classification. Finalement, nous décrivons le fonctionnement général de notre système de détection d'émotions et proposons de nouvelles idées pouvant mener à de futurs travaux. / Humans communicate via different types of channels: words, voice, body gesture, emotions …etc. For this reason, implementing these channels in computers is inevitable to make them interact intelligently with humans. Using a webcam and a microphone, computers should figure out what we want to tell from our voice, gesture and face emotions. In this thesis we are interested in figuring human emotions from their images or video in order to use that later in different applications. The thesis starts by giving an introduction to machine learning and some of the models and algorithms we used like multilayer perceptron, convolutional neural networks, autoencoders and finally report the results of applying these models on several facial emotion expression datasets. We moreover concentrate on studying different kinds of autoencoders (Denoising Autoencoder , Contractive Autoencoder, …etc.) and identify some limitations like the possibility of obtaining filters co-adaptation and undesirably smooth spectral curve and we investigate new ideas to address these problems. We also overcome the limitations of training autoencoders in a purely unsupervised manner, i.e. without using any knowledge of task we ultimately want to solve (such as predicting class labels) and develop a new semi-supervised training criterion which exploits the knowledge of the few labeled data to train the autoencoder together with a large amount of unlabeled data in order to learn a representation better suited for the classification task, and obtain better classification performance. Finally, we describe the general pipeline for our emotion detection system and suggest new ideas for future work.

Les avancées récentes en apprentissage profond et en traitement d'image présentent l'opportunité d'unifier ces deux champs de recherche complémentaires pour une meilleure résolution du problème de classification d'images dans des catégories sémantiques. L'apprentissage profond apporte au traitement d'image le pouvoir de représentation nécessaire à l'amélioration des performances des méthodes de classification d'images. Cette thèse propose de nouvelles méthodes d'apprentissage de représentations visuelles profondes pour la résolution de cette tache. L'apprentissage profond a été abordé sous deux angles. D'abord nous nous sommes intéressés à l'apprentissage non supervisé de représentations latentes ayant certaines propriétés à partir de données en entrée. Il s'agit ici d'intégrer une connaissance à priori, à travers un terme de régularisation, dans l'apprentissage d'une machine de Boltzmann restreinte. Nous proposons plusieurs formes de régularisation qui induisent différentes propriétés telles que la parcimonie, la sélectivité et l'organisation en structure topographique. Le second aspect consiste au passage graduel de l'apprentissage non supervisé à l'apprentissage supervisé de réseaux profonds. Ce but est réalisé par l'introduction sous forme de supervision, d'une information relative à la catégorie sémantique. Deux nouvelles méthodes sont proposées. Le premier est basé sur une régularisation top-down de réseaux de croyance profonds à base de machines des Boltzmann restreintes. Le second optimise un cout intégrant un critère de reconstruction et un critère de supervision pour l'entrainement d'autoencodeurs profonds. Les méthodes proposées ont été appliquées au problème de classification d'images. Nous avons adopté le modèle sac-de-mots comme modèle de base parce qu'il offre d'importantes possibilités grâce à l'utilisation de descripteurs locaux robustes et de pooling par pyramides spatiales qui prennent en compte l'information spatiale de l'image. L'apprentissage profonds avec agrégation spatiale est utilisé pour apprendre un dictionnaire hiérarchique pour l'encodage de représentations visuelles de niveau intermédiaire. Cette méthode donne des résultats très compétitifs en classification de scènes et d'images. Les dictionnaires visuels appris contiennent diverses informations non-redondantes ayant une structure spatiale cohérente. L'inférence est aussi très rapide. Nous avons par la suite optimisé l'étape de pooling sur la base du codage produit par le dictionnaire hiérarchique précédemment appris en introduisant introduit une nouvelle paramétrisation dérivable de l'opération de pooling qui permet un apprentissage par descente de gradient utilisant l'algorithme de rétro-propagation. Ceci est la première tentative d'unification de l'apprentissage profond et du modèle de sac de mots. Bien que cette fusion puisse sembler évidente, l'union de plusieurs aspects de l'apprentissage profond de représentations visuelles demeure une tache complexe à bien des égards et requiert encore un effort de recherche important.