Les modèles génératifs servent à générer des échantillons d'une loi de probabilité (ex. : du texte, des images, de la musique, des vidéos, des molécules, et beaucoup plus) à partir d'un jeu de données (ex. : une banque d'images, de texte, ou autre). Entrainer des modèles génératifs est une tâche très difficile, mais ces outils ont un très grand potentiel en termes d'applications. Par exemple, dans le futur lointain, on pourrait envisager qu'un modèle puisse générer les épisodes d'une émission de télévision à partir d'un script et de voix générés par d'autres modèles génératifs. Il existe plusieurs types de modèles génératifs. Pour la génération d'images, l'approche la plus fructueuse est sans aucun doute la méthode de réseaux adverses génératifs (GANs). Les GANs apprennent à générer des images par un jeu compétitif entre deux joueurs, le Discriminateur et le Générateur. Le Discriminateur tente de prédire si une image est vraie ou fausse, tandis que le Générateur tente de générer des images plus réalistes en apprenant à faire croire au discriminateur que ces fausses images générées sont vraies. En complétant ce jeu, les GANs arrivent à générer des images presque photo-réalistes. Il est souvent possible pour des êtres humains de distinguer les fausses images (générés par les GANs) des vraies images (ceux venant du jeu de données), mais la tâche devient plus difficile au fur et à mesure que cette technologie s'améliore. Le plus gros défaut des GANs est que les données générées par les GANs manquent souvent de diversité (ex. : les chats au visage aplati sont rares dans la banque d'images, donc les GANs génèrent juste des races de chats plus fréquentes). Ces méthodes souvent aussi souvent très instables. Il y a donc encore beaucoup de chemin à faire avant l'obtention d'images parfaitement photo-réalistes et diverses. De nouvelles méthodes telles que les modèles de diffusion à la base de score semblent produire de meilleurs résultats que les GANs, donc tout n'est pas gagné pour les GANs. C'est pourquoi cette thèse n'est pas concentrée seulement sur les GANs, mais aussi sur les modèles de diffusion. Notez que cette thèse est exclusivement concentrée sur la génération de données continues (ex. : images, musique, vidéos) plutôt que discrètes (ex. : texte), car cette dernière fait usage de méthodes complètement différentes. Le premier objectif de cette thèse est d'étudier les modèles génératifs de façon théorique pour mieux les comprendre. Le deuxième objectif de cette thèse est d'inventer de nouvelles astuces (nouvelles fonctions objectives, régularisations, architectures, etc.) permettant d'améliorer les modèles génératifs. Le troisième objectif est de généraliser ces approches au-delà de leur formulation initiale, pour permettre la découverte de nouveaux liens entre différentes approches. Ma première contribution est de proposer un discriminateur relativiste qui estime la probabilité qu'une donnée réelle, soit plus réaliste qu'une donnée fausse (inventée par un modèle générateur). Les GANs relativistes forment une nouvelle classe de fonctions de perte qui apportent beaucoup de stabilité durant l'entrainement. Ma seconde contribution est de prouver que les GANs relativistes forment une mesure de dissimilarité. Ma troisième contribution est de concevoir une variante adverse au appariement de score pour produire des données de meilleure qualité avec les modèles de diffusion. Ma quatrième contribution est d'améliorer la vitesse de génération des modèles de diffusion par la création d'une méthode numérique de résolution pour équations différentielles stochastiques (SDEs). / Generative models are powerful tools to generate samples (e.g., images, music, text) from an unknown distribution given a finite set of examples. Generative models are hard to train successfully, but they have the potential to revolutionize arts, science, and business. These models can generate samples from various data types (e.g., text, images, audio, videos, 3d). In the future, we can envision generative models being used to create movies or episodes from a TV show given a script (possibly also generated by a generative model). One of the most successful methods for generating images is Generative Adversarial Networks (GANs). This approach consists of a game between two players, the Discriminator and the Generator. The goal of the Discriminator is to classify an image as real or fake, while the Generator attempts to fool the Discriminator into thinking that the fake images it generates are real. Through this game, GANs are able to generate very high-quality samples, such as photo-realistic images. Humans are still generally able to distinguish real images (from the training dataset) from fake images (generated by GANs), but the gap is lessening as GANs become better over time. The biggest weakness of GANs is that they have trouble generating diverse data representative of the full range of the data distribution. Thus, there is still much progress to be made before GANs reach their full potential. New methods performing better than GANs are also appearing. One prime example is score-based diffusion models. This thesis focuses on generative models that seemed promising at the time for continuous data generation: GANs and score-based diffusion models. I seek to improve generative models so that they reach their full potential (Objective 1: Improving) and to understand these approaches better on a theoretical level (Objective 2: Theoretical understanding). I also want to generalize these approaches beyond their original setting (Objective 3: Generalizing), allowing the discovery of new connections between different concepts/fields. My first contribution is to propose using a relativistic discriminator, which estimates the probability that a given real data is more realistic than a randomly sampled fake data. Relativistic GANs form a new class of GAN loss functions that are much more stable with respect to optimization hyperparameters. My second contribution is to take a more rigorous look at relativistic GANs and prove that they are proper statistical divergences. My third contribution is to devise an adversarial variant to denoising score matching, which leads to higher quality data with score-based diffusion models. My fourth contribution is to significantly improve the speed of score-based diffusion models through a carefully devised Stochastic Differential Equation (SDE) solver.

Avant-propos: Cet ouvrage se base en partie sur le travail réalisé en collaboration avec Alexia Jolicoeur-Martineau, Ioannis Mitliagkas et Rémi Tachet des Combes, réalisé en 2020 et publié à la conférence internationale d'apprentissage de représentations (ICLR 2021). Les analyses présentées dans les prochaines pages approfondissent, corrigent et ajoutent à cet ouvrage de manière substantive, sans toutefois reposer sur cet ouvrage ou quelconque connaissance couverte par ce texte. / Ce mémoire a pour but de présenter des analyses pertinentes au sujet des méthodes génératives dites Denoising Score Matching dans le but de mieux comprendre leur fonctionnement et d'améliorer les techniques existantes. Ces méthodes consistent à graduellement réduire le bruit dans une image en usant de réseaux neuraux profonds à des fins de synthèse. Tandis que les premiers chapitres contextualisent le problème du Denoising Score Matching, les chapitres suivants s’affairent à reformuler l’objectif d’entraînement du réseau neuronal, puis à analyser le processus itératif générateur. J’introduis par la suite les concepts fondateurs des méthodes de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) pour dynamiques Hamiltoniennes, que j’adapte ensuite à la synthèse d’image par réduction graduelle de bruit. Tandis que les dynamiques de Langevin ont jusqu’alors eut monopole des processus génératifs dans la littérature de synthèse par le score, les dynamiques Hamiltoniennes font l'objet d’un engouement quant à leur vitesse de convergence supérieure. Je démontre leur efficacité dans les sections suivantes et précise, dans le cas de la génération d'images complexes, les contextes dans lesquels leur usage est avantageux. Lors d’une étude d’ablation complète, je présente les gains indépendants et jumelés des améliorations proposées, et par le fait même, je contribue à notre compréhension des modèles basés sur le score. / This thesis presents pertinent analysis around generative modeling of the Denoising Score Matching family with the goals of better understanding how they work and improving existing methods. These methods work by gradually reducing noise in images using deep neural networks. While the first chapters contextualize the problem of Denoising Score Matching, the following chapters focus on reformulating the training objective of the neural network and analysing the iterative generative process. I introduce the founding concepts of Markov Chain Monte Carlo (MCMC) for Hamiltonian Dynamics and adapt them to our framework of image synthesis by annealing of Gaussian noise. While Langevin Dynamics have thus far dominated generative processes in the Denoising Score Matching literature, Hamiltonian Dynamics sustained interest from their superior convergence rate. I demonstrate their efficiency in the next chapters and elaborate on the contexts in which their use is advantageous to complex image generation. In a complete ablation study, I present the independent and coupled gains from every proposed improvements and thereby elevate our comprehension of Denoising Score Matching methods.