L'objectif de cette thèse est de présenter différentes applications du programme de recherche de calcul conditionnel distribué. On espère que ces applications, ainsi que la théorie présentée ici, mènera à une solution générale du problème d'intelligence artificielle, en particulier en ce qui a trait à la nécessité d'efficience. La vision du calcul conditionnel distribué consiste à accélérer l'évaluation et l'entraînement de modèles profonds, ce qui est très différent de l'objectif usuel d'améliorer sa capacité de généralisation et d'optimisation. Le travail présenté ici a des liens étroits avec les modèles de type mélange d'experts. Dans le chapitre 2, nous présentons un nouvel algorithme d'apprentissage profond qui utilise une forme simple d'apprentissage par renforcement sur un modèle d'arbre de décisions à base de réseau de neurones. Nous démontrons la nécessité d'une contrainte d'équilibre pour maintenir la distribution d'exemples aux experts uniforme et empêcher les monopoles. Pour rendre le calcul efficient, l'entrainement et l'évaluation sont contraints à être éparse en utilisant un routeur échantillonnant des experts d'une distribution multinomiale étant donné un exemple. Dans le chapitre 3, nous présentons un nouveau modèle profond constitué d'une représentation éparse divisée en segments d'experts. Un modèle de langue à base de réseau de neurones est construit à partir des transformations éparses entre ces segments. L'opération éparse par bloc est implémentée pour utilisation sur des cartes graphiques. Sa vitesse est comparée à deux opérations denses du même calibre pour démontrer le gain réel de calcul qui peut être obtenu. Un modèle profond utilisant des opérations éparses contrôlées par un routeur distinct des experts est entraîné sur un ensemble de données d'un milliard de mots. Un nouvel algorithme de partitionnement de données est appliqué sur un ensemble de mots pour hiérarchiser la couche de sortie d'un modèle de langage, la rendant ainsi beaucoup plus efficiente. Le travail présenté dans cette thèse est au centre de la vision de calcul conditionnel distribué émis par Yoshua Bengio. Elle tente d'appliquer la recherche dans le domaine des mélanges d'experts aux modèles profonds pour améliorer leur vitesse ainsi que leur capacité d'optimisation. Nous croyons que la théorie et les expériences de cette thèse sont une étape importante sur la voie du calcul conditionnel distribué car elle cadre bien le problème, surtout en ce qui concerne la compétitivité des systèmes d'experts. / The objective of this paper is to present different applications of the distributed conditional computation research program. It is hoped that these applications and the theory presented here will lead to a general solution of the problem of artificial intelligence, especially with regard to the need for efficiency. The vision of distributed conditional computation is to accelerate the evaluation and training of deep models which is very different from the usual objective of improving its generalization and optimization capacity. The work presented here has close ties with mixture of experts models. In Chapter 2, we present a new deep learning algorithm that uses a form of reinforcement learning on a novel neural network decision tree model. We demonstrate the need for a balancing constraint to keep the distribution of examples to experts uniform and to prevent monopolies. To make the calculation efficient, the training and evaluation are constrained to be sparse by using a gater that samples experts from a multinomial distribution given examples. In Chapter 3 we present a new deep model consisting of a sparse representation divided into segments of experts. A neural network language model is constructed from blocks of sparse transformations between these expert segments. The block-sparse operation is implemented for use on graphics cards. Its speed is compared with two dense operations of the same caliber to demonstrate and measure the actual efficiency gain that can be obtained. A deep model using these block-sparse operations controlled by a distinct gater is trained on a dataset of one billion words. A new algorithm for data partitioning (clustering) is applied to a set of words to organize the output layer of a language model into a conditional hierarchy, thereby making it much more efficient. The work presented in this thesis is central to the vision of distributed conditional computation as issued by Yoshua Bengio. It attempts to apply research in the area of mixture of experts to deep models to improve their speed and their optimization capacity. We believe that the theory and experiments of this thesis are an important step on the path to distributed conditional computation because it provides a good framework for the problem, especially concerning competitiveness inherent to systems of experts.

En apprentissage automatique, domaine qui consiste à utiliser des données pour apprendre une solution aux problèmes que nous voulons confier à la machine, le modèle des Réseaux de Neurones Artificiels (ANN) est un outil précieux. Il a été inventé voilà maintenant près de soixante ans, et pourtant, il est encore de nos jours le sujet d'une recherche active. Récemment, avec l'apprentissage profond, il a en effet permis d'améliorer l'état de l'art dans de nombreux champs d'applications comme la vision par ordinateur, le traitement de la parole et le traitement des langues naturelles. La quantité toujours grandissante de données disponibles et les améliorations du matériel informatique ont permis de faciliter l'apprentissage de modèles à haute capacité comme les ANNs profonds. Cependant, des difficultés inhérentes à l'entraînement de tels modèles, comme les minima locaux, ont encore un impact important. L'apprentissage profond vise donc à trouver des solutions, en régularisant ou en facilitant l'optimisation. Le pré-entraînnement non-supervisé, ou la technique du ``Dropout'', en sont des exemples. Les deux premiers travaux présentés dans cette thèse suivent cette ligne de recherche. Le premier étudie les problèmes de gradients diminuants/explosants dans les architectures profondes. Il montre que des choix simples, comme la fonction d'activation ou l'initialisation des poids du réseaux, ont une grande influence. Nous proposons l'initialisation normalisée pour faciliter l'apprentissage. Le second se focalise sur le choix de la fonction d'activation et présente le rectifieur, ou unité rectificatrice linéaire. Cette étude a été la première à mettre l'accent sur les fonctions d'activations linéaires par morceaux pour les réseaux de neurones profonds en apprentissage supervisé. Aujourd'hui, ce type de fonction d'activation est une composante essentielle des réseaux de neurones profonds. Les deux derniers travaux présentés se concentrent sur les applications des ANNs en traitement des langues naturelles. Le premier aborde le sujet de l'adaptation de domaine pour l'analyse de sentiment, en utilisant des Auto-Encodeurs Débruitants. Celui-ci est encore l'état de l'art de nos jours. Le second traite de l'apprentissage de données multi-relationnelles avec un modèle à base d'énergie, pouvant être utilisé pour la tâche de désambiguation de sens. / Machine learning aims to leverage data in order for computers to solve problems of interest. Despite being invented close to sixty years ago, Artificial Neural Networks (ANN) remain an area of active research and a powerful tool. Their resurgence in the context of deep learning has led to dramatic improvements in various domains from computer vision and speech processing to natural language processing. The quantity of available data and the computing power are always increasing, which is desirable to train high capacity models such as deep ANNs. However, some intrinsic learning difficulties, such as local minima, remain problematic. Deep learning aims to find solutions to these problems, either by adding some regularisation or improving optimisation. Unsupervised pre-training or Dropout are examples of such solutions. The two first articles presented in this thesis follow this line of research. The first analyzes the problem of vanishing/exploding gradients in deep architectures. It shows that simple choices, like the activation function or the weights initialization, can have an important impact. We propose the normalized initialization scheme to improve learning. The second focuses on the activation function, where we propose the rectified linear unit. This work was the first to emphasise the use of linear by parts activation functions for deep supervised neural networks, which is now an essential component of such models. The last two papers show some applications of ANNs to Natural Language Processing. The first focuses on the specific subject of domain adaptation in the context of sentiment analysis, using Stacked Denoising Auto-encoders. It remains state of the art to this day. The second tackles learning with multi-relational data using an energy based model which can also be applied to the task of word-sense disambiguation.

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Les différences entre conditions d'apprentissage et conditions de test peuvent considérablement dégrader la qualité des transcriptions produites par un système de reconnaissance automatique de la parole (RAP). L'adaptation est un moyen efficace pour réduire l'inadéquation entre les modèles du système et les données liées à un locuteur ou un canal acoustique particulier. Il existe deux types dominants de modèles acoustiques utilisés en RAP : les modèles de mélanges gaussiens (GMM) et les réseaux de neurones profonds (DNN). L'approche par modèles de Markov cachés (HMM) combinés à des GMM (GMM-HMM) a été l'une des techniques les plus utilisées dans les systèmes de RAP pendant de nombreuses décennies. Plusieurs techniques d'adaptation ont été développées pour ce type de modèles. Les modèles acoustiques combinant HMM et DNN (DNN-HMM) ont récemment permis de grandes avancées et surpassé les modèles GMM-HMM pour diverses tâches de RAP, mais l'adaptation au locuteur reste très difficile pour les modèles DNN-HMM. L'objectif principal de cette thèse est de développer une méthode de transfert efficace des algorithmes d'adaptation des modèles GMM aux modèles DNN. Une nouvelle approche pour l'adaptation au locuteur des modèles acoustiques de type DNN est proposée et étudiée : elle s'appuie sur l'utilisation de fonctions dérivées de GMM comme entrée d'un DNN. La technique proposée fournit un cadre général pour le transfert des algorithmes d'adaptation développés pour les GMM à l'adaptation des DNN. Elle est étudiée pour différents systèmes de RAP à l'état de l'art et s'avère efficace par rapport à d'autres techniques d'adaptation au locuteur, ainsi que complémentaire. / Differences between training and testing conditions may significantly degrade recognition accuracy in automatic speech recognition (ASR) systems. Adaptation is an efficient way to reduce the mismatch between models and data from a particular speaker or channel. There are two dominant types of acoustic models (AMs) used in ASR: Gaussian mixture models (GMMs) and deep neural networks (DNNs). The GMM hidden Markov model (GMM-HMM) approach has been one of the most common technique in ASR systems for many decades. Speaker adaptation is very effective for these AMs and various adaptation techniques have been developed for them. On the other hand, DNN-HMM AMs have recently achieved big advances and outperformed GMM-HMM models for various ASR tasks. However, speaker adaptation is still very challenging for these AMs. Many adaptation algorithms that work well for GMMs systems cannot be easily applied to DNNs because of the different nature of these models. The main purpose of this thesis is to develop a method for efficient transfer of adaptation algorithms from the GMM framework to DNN models. A novel approach for speaker adaptation of DNN AMs is proposed and investigated. The idea of this approach is based on using so-called GMM-derived features as input to a DNN. The proposed technique provides a general framework for transferring adaptation algorithms, developed for GMMs, to DNN adaptation. It is explored for various state-of-the-art ASR systems and is shown to be effective in comparison with other speaker adaptation techniques and complementary to them.

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Cette thèse s'intéresse à la problématique de la classification automatique des séquences vidéo. L'idée est de se démarquer de la méthodologie dominante qui se base sur l'utilisation de caractéristiques conçues manuellement, et de proposer des modèles qui soient les plus génériques possibles et indépendants du domaine. Ceci est fait en automatisant la phase d'extraction des caractéristiques, qui sont dans notre cas générées par apprentissage à partir d'exemples, sans aucune connaissance a priori. Nous nous appuyons pour ce faire sur des travaux existants sur les modèles neuronaux pour la reconnaissance d'objets dans les images fixes, et nous étudions leur extension au cas de la vidéo. Plus concrètement, nous proposons deux modèles d'apprentissage des caractéristiques spatio-temporelles pour la classification vidéo : - Un modèle d'apprentissage supervisé profond, qui peut être vu comme une extension des modèles ConvNets au cas de la vidéo. - Un modèle d'apprentissage non supervisé, qui se base sur un schéma d'auto-encodage, et sur une représentation parcimonieuse sur-complète des données. Outre les originalités liées à chacune de ces deux approches, une contribution supplémentaire de cette thèse est une étude comparative entre plusieurs modèles de classification de séquences parmi les plus populaires de l'état de l'art. Cette étude a été réalisée en se basant sur des caractéristiques manuelles adaptées à la problématique de la reconnaissance d'actions dans les vidéos de football. Ceci a permis d'identifier le modèle de classification le plus performant (un réseau de neurone récurrent bidirectionnel à longue mémoire à court-terme -BLSTM-), et de justifier son utilisation pour le reste des expérimentations. Enfin, afin de valider la généricité des deux modèles proposés, ceux-ci ont été évalués sur deux problématiques différentes, à savoir la reconnaissance d'actions humaines (sur la base KTH), et la reconnaissance d'expressions faciales (sur la base GEMEP-FERA). L'étude des résultats a permis de valider les approches, et de montrer qu'elles obtiennent des performances parmi les meilleures de l'état de l'art (avec 95, 83% de bonne reconnaissance pour la base KTH, et 87, 57% pour la base GEMEP-FERA).

L’apprentissage supervisé de réseaux hiérarchiques à grande échelle connaît présentement un succès fulgurant. Malgré cette effervescence, l’apprentissage non-supervisé représente toujours, selon plusieurs chercheurs, un élément clé de l’Intelligence Artificielle, où les agents doivent apprendre à partir d’un nombre potentiellement limité de données. Cette thèse s’inscrit dans cette pensée et aborde divers sujets de recherche liés au problème d’estimation de densité par l’entremise des machines de Boltzmann (BM), modèles graphiques probabilistes au coeur de l’apprentissage profond. Nos contributions touchent les domaines de l’échantillonnage, l’estimation de fonctions de partition, l’optimisation ainsi que l’apprentissage de représentations invariantes. Cette thèse débute par l’exposition d’un nouvel algorithme d'échantillonnage adaptatif, qui ajuste (de fa ̧con automatique) la température des chaînes de Markov sous simulation, afin de maintenir une vitesse de convergence élevée tout au long de l’apprentissage. Lorsqu’utilisé dans le contexte de l’apprentissage par maximum de vraisemblance stochastique (SML), notre algorithme engendre une robustesse accrue face à la sélection du taux d’apprentissage, ainsi qu’une meilleure vitesse de convergence. Nos résultats sont présent ́es dans le domaine des BMs, mais la méthode est générale et applicable à l’apprentissage de tout modèle probabiliste exploitant l’échantillonnage par chaînes de Markov. Tandis que le gradient du maximum de vraisemblance peut-être approximé par échantillonnage, l’évaluation de la log-vraisemblance nécessite un estimé de la fonction de partition. Contrairement aux approches traditionnelles qui considèrent un modèle donné comme une boîte noire, nous proposons plutôt d’exploiter la dynamique de l’apprentissage en estimant les changements successifs de log-partition encourus à chaque mise à jour des paramètres. Le problème d’estimation est reformulé comme un problème d’inférence similaire au filtre de Kalman, mais sur un graphe bi-dimensionnel, où les dimensions correspondent aux axes du temps et au paramètre de température. Sur le thème de l’optimisation, nous présentons également un algorithme permettant d’appliquer, de manière efficace, le gradient naturel à des machines de Boltzmann comportant des milliers d’unités. Jusqu’à présent, son adoption était limitée par son haut coût computationel ainsi que sa demande en mémoire. Notre algorithme, Metric-Free Natural Gradient (MFNG), permet d’éviter le calcul explicite de la matrice d’information de Fisher (et son inverse) en exploitant un solveur linéaire combiné à un produit matrice-vecteur efficace. L’algorithme est prometteur: en terme du nombre d’évaluations de fonctions, MFNG converge plus rapidement que SML. Son implémentation demeure malheureusement inefficace en temps de calcul. Ces travaux explorent également les mécanismes sous-jacents à l’apprentissage de représentations invariantes. À cette fin, nous utilisons la famille de machines de Boltzmann restreintes “spike & slab” (ssRBM), que nous modifions afin de pouvoir modéliser des distributions binaires et parcimonieuses. Les variables latentes binaires de la ssRBM peuvent être rendues invariantes à un sous-espace vectoriel, en associant à chacune d’elles, un vecteur de variables latentes continues (dénommées “slabs”). Ceci se traduit par une invariance accrue au niveau de la représentation et un meilleur taux de classification lorsque peu de données étiquetées sont disponibles. Nous terminons cette thèse sur un sujet ambitieux: l’apprentissage de représentations pouvant séparer les facteurs de variations présents dans le signal d’entrée. Nous proposons une solution à base de ssRBM bilinéaire (avec deux groupes de facteurs latents) et formulons le problème comme l’un de “pooling” dans des sous-espaces vectoriels complémentaires. / Despite the current widescale success of deep learning in training large scale hierarchical models through supervised learning, unsupervised learning promises to play a crucial role towards solving general Artificial Intelligence, where agents are expected to learn with little to no supervision. The work presented in this thesis tackles the problem of unsupervised feature learning and density estimation, using a model family at the heart of the deep learning phenomenon: the Boltzmann Machine (BM). We present contributions in the areas of sampling, partition function estimation, optimization and the more general topic of invariant feature learning. With regards to sampling, we present a novel adaptive parallel tempering method which dynamically adjusts the temperatures under simulation to maintain good mixing in the presence of complex multi-modal distributions. When used in the context of stochastic maximum likelihood (SML) training, the improved ergodicity of our sampler translates to increased robustness to learning rates and faster per epoch convergence. Though our application is limited to BM, our method is general and is applicable to sampling from arbitrary probabilistic models using Markov Chain Monte Carlo (MCMC) techniques. While SML gradients can be estimated via sampling, computing data likelihoods requires an estimate of the partition function. Contrary to previous approaches which consider the model as a black box, we provide an efficient algorithm which instead tracks the change in the log partition function incurred by successive parameter updates. Our algorithm frames this estimation problem as one of filtering performed over a 2D lattice, with one dimension representing time and the other temperature. On the topic of optimization, our thesis presents a novel algorithm for applying the natural gradient to large scale Boltzmann Machines. Up until now, its application had been constrained by the computational and memory requirements of computing the Fisher Information Matrix (FIM), which is square in the number of parameters. The Metric-Free Natural Gradient algorithm (MFNG) avoids computing the FIM altogether by combining a linear solver with an efficient matrix-vector operation. The method shows promise in that the resulting updates yield faster per-epoch convergence, despite being slower in terms of wall clock time. Finally, we explore how invariant features can be learnt through modifications to the BM energy function. We study the problem in the context of the spike & slab Restricted Boltzmann Machine (ssRBM), which we extend to handle both binary and sparse input distributions. By associating each spike with several slab variables, latent variables can be made invariant to a rich, high dimensional subspace resulting in increased invariance in the learnt representation. When using the expected model posterior as input to a classifier, increased invariance translates to improved classification accuracy in the low-label data regime. We conclude by showing a connection between invariance and the more powerful concept of disentangling factors of variation. While invariance can be achieved by pooling over subspaces, disentangling can be achieved by learning multiple complementary views of the same subspace. In particular, we show how this can be achieved using third-order BMs featuring multiplicative interactions between pairs of random variables.

Humans' incredible capacity to model the complexity of the physical world is possible because they cast this complexity as the composition of simpler entities and rules to process them. Extensive work in cognitive science indeed shows that human perception and reasoning ability is structured around objects. Motivated by this observation, a growing number of recent work focused on entity-centric approaches to learning representation and their potential to facilitate downstream tasks. In the first contribution, we show how an entity-centric approach to learning a transition model allows us to extract meaningful visual entities and to learn transition rules that achieve better compositional generalization. In the second contribution, we show how an entity-centric approach to generating graphs allows us to design a model for conditional graph generation that permits direct optimisation of the graph properties. We investigate the performance of our model in a prototype-based molecular graph generation task. In this task, called lead optimization in drug discovery, we wish to adjust a few physico-chemical properties of a molecule that has proven efficient in vitro in order to make a drug out of it. / L'incroyable capacité des humains à modéliser la complexité du monde physique est rendue possible par la décomposition qu'ils en font en un ensemble d'entités et de règles simples. De nombreux travaux en sciences cognitives montre que la perception humaine et sa capacité à raisonner est essentiellement centrée sur la notion d'objet. Motivés par cette observation, de récents travaux se sont intéressés aux différentes approches d'apprentissage de représentations centrées sur des entités et comment ces représentations peuvent être utilisées pour résoudre plus facilement des tâches sous-jacentes. Dans la première contribution on montre comment une architecture centrée sur la notion d'entité va permettre d'extraire des entités visuelles interpretables et d'apprendre un modèle du monde plus robuste aux différentes configurations d'objets. Dans la deuxième contribution on s’intéresse à un modèle de génération de graphes dont l'architecture est également centrée sur la notion d'entités et comment cette architecture rend plus facile l'apprentissage d'une génération conditionelle à certaines propriétés du graphe. On s’intéresse plus particulièrement aux applications en découverte de médicaments. Dans cette tâche, on souhaite optimiser certaines propriétés physico-chmiques du graphe d'une molécule qui a été efficace in-vitro et dont on veut faire un médicament.

Des efforts importants ont été faits pour améliorer la précision de la détection des actions humaines à l’aide des articulations du squelette. Déterminer les actions dans un environnement bruyant reste une tâche difficile, car les coordonnées cartésiennes des articulations du squelette fournies par la caméra de détection à profondeur dépendent de la position de la caméra et de la position du squelette. Dans certaines applications d’interaction homme-machine, la position du squelette et la position de la caméra ne cessent de changer. La méthode proposée recommande d’utiliser des valeurs de position relatives plutôt que des valeurs de coordonnées cartésiennes réelles. Les récents progrès des réseaux de neurones à convolution (RNC) nous aident à obtenir une plus grande précision de prédiction en utilisant des entrées sous forme d’images. Pour représenter les articulations du squelette sous forme d’image, nous devons représenter les informations du squelette sous forme de matrice avec une hauteur et une largeur égale. Le nombre d’articulations du squelette fournit par certaines caméras de détection à profondeur est limité, et nous devons dépendre des valeurs de position relatives pour avoir une représentation matricielle des articulations du squelette. Avec la nouvelle représentation des articulations du squelette et le jeu de données MSR, nous pouvons obtenir des performances semblables à celles de l’état de l’art. Nous avons utilisé le décalage d’image au lieu de l’interpolation entre les images, ce qui nous aide également à obtenir des performances similaires à celle de l’état de l’art. / There have been significant efforts in the direction of improving accuracy in detecting human action using skeleton joints. Recognizing human activities in a noisy environment is still challenging since the cartesian coordinate of the skeleton joints provided by depth camera depends on camera position and skeleton position. In a few of the human-computer interaction applications, skeleton position, and camera position keep changing. The proposed method recommends using relative positional values instead of actual cartesian coordinate values. Recent advancements in CNN help us to achieve higher prediction accuracy using input in image format. To represent skeleton joints in image format, we need to represent skeleton information in matrix form with equal height and width. With some depth cameras, the number of skeleton joints provided is limited, and we need to depend on relative positional values to have a matrix representation of skeleton joints. We can show the state-of-the-art prediction accuracy on MSR data with the help of the new representation of skeleton joints. We have used frames shifting instead of interpolation between frames, which helps us achieve state-of-the-art performance.