L'apprentissage profond par renforcement a produit des décideurs qui jouent aux échecs, au Go, au Shogi, à Atari et à Starcraft avec une capacité surhumaine. Cependant, ces algorithmes ont du mal à naviguer et à contrôler des environnements physiques, contrairement aux animaux et aux humains. Manipuler le monde physique nécessite la maîtrise de domaines d'actions continues tels que la position, la vitesse et l'accélération, contrairement aux domaines d'actions discretes dans des jeux de société et de vidéo. L'entraînement de réseaux neuronaux profonds pour le contrôle continu est instable: les agents ont du mal à apprendre et à conserver de bonnes habitudes, le succès est à haute variance sur hyperparamètres, graines aléatoires, même pour la même tâche, et les algorithmes ont du mal à bien se comporter en dehors des domaines dans lesquels ils ont été développés. Cette thèse examine et améliore l'utilisation de réseaux de neurones profonds dans l'apprentissage par renforcement. Le chapitre 1 explique comment le principe d'entropie maximale produit des fonctions d'objectifs pour l'apprentissage supervisé et non supervisé et déduit, à partir de la dynamique d'apprentissage des réseaux neuronaux profonds, certains termes régulisants pour stabiliser les réseaux neuronaux profonds. Le chapitre 2 fournit une justification de l'entropie maximale pour la forme des algorithmes acteur-critique et trouve une configuration d'un algorithme acteur-critique qui s'entraîne le plus stablement. Enfin, le chapitre 3 examine la dynamique d'apprentissage de l'apprentissage par renforcement profond afin de proposer deux améliorations aux réseaux cibles et jumeaux qui améliorent la stabilité et la convergence. Des expériences sont réalisées dans les simulateurs de physique idéale DeepMind Control, MuJoCo et Box2D. / Deep Reinforcement Learning has produced decision makers that play Chess, Go, Shogi, Atari, and Starcraft with superhuman ability. However, unlike animals and humans, these algorithms struggle to navigate and control physical environments. Manipulating the physical world requires controlling continuous action spaces such as position, velocity, and acceleration, unlike the discrete action spaces of board and video games. Training deep neural networks for continuous control is unstable: agents struggle to learn and retain good behaviors, performance is high variance across hyperparameters, random seed, and even multiple runs of the same task, and algorithms struggle to perform well outside the domains they have been developed in. This thesis finds principles behind the success of deep neural networks in other learning paradigms and examines their impact on reinforcement learning for continuous control. Chapter 1 explains how the maximum-entropy principle produces supervised and unsupervised learning loss functions and derives some regularizers used to stabilize deep networks from the training dynamics of deep learning. Chapter 2 provides a maximum-entropy justification for the form of actor-critic algorithms and finds a configuration of an actor-critic algorithm that trains most stably. Finally, Chapter 3 considers the training dynamics of deep reinforcement learning to propose two improvements to target and twin networks that improve stability and convergence. Experiments are performed within the DeepMind Control, MuJoCo, and Box2D ideal-physics simulators.

Les auto-encodeurs sont des réseaux de neurones artificiels qui apprennent des représentations. Dans un auto-encodeur, l’encodeur transforme une entrée en une représentation, et le décodeur essaie de prédire l’entrée à partir de la représentation. Cette thèse compile trois applications de ces modèles au traitement automatique des langues : pour l’apprentissage de représentations de mots et de phrases, ainsi que pour mieux comprendre la compositionnalité. Dans le premier article, nous montrons que nous pouvons auto-encoder des définitions de dictionnaire et ainsi apprendre des vecteurs de définition. Nous proposons une nouvelle pénalité qui nous permet d’utiliser ces vecteurs comme entrées à l’encodeur lui-même, mais aussi de les mélanger des vecteurs distributionnels pré-entraînés. Ces vecteurs de définition capturent mieux la similarité sémantique que les méthodes distributionnelles telles que word2vec. De plus, l’encodeur généralise à un certain degré à des définitions qu’il n’a pas vues pendant l’entraînement. Dans le deuxième article, nous analysons les représentations apprises par les auto-encodeurs variationnels séquence-à-séquence. Nous constatons que les encodeurs ont tendance à mémo- riser les premiers mots et la longueur de la phrase d’entrée. Cela limite considérablement leur utilité en tant que modèles génératifs contrôlables. Nous analysons aussi des variantes architecturales plus simples qui ne tiennent pas compte de l’ordre des mots, ainsi que des mé- thodes basées sur le pré-entraînement. Les représentations qu’elles apprennent ont tendance à encoder plus nettement des caractéristiques globales telles que le sujet et le sentiment, et cela se voit dans les reconstructions qu’ils produisent. Dans le troisième article, nous utilisons des simulations d’émergence du langage pour étudier la compositionnalité. Un locuteur – l’encodeur – observe une entrée et produit un message. Un auditeur – le décodeur – tente de reconstituer ce dont le locuteur a parlé dans son message. Nous émettons l’hypothèse que faire des phrases impliquant plusieurs entités, telles que « Jean aime Marie », nécessite fondamentalement de percevoir chaque entité comme un tout. Nous dotons certains agents de cette capacité grâce à un mechanisme d’attention, alors que d’autres en sont privés. Nous proposons différentes métriques qui mesurent à quel point les langues des agents sont naturelles en termes de structure d’argument, et si elles sont davantage analytiques ou synthétiques. Les agents percevant les entités comme des touts échangent des messages plus naturels que les autres agents. / Autoencoders are artificial neural networks that learn representations. In an autoencoder, the encoder transforms an input into a representation, and the decoder tries to recover the input from the representation. This thesis compiles three different applications of these models to natural language processing: for learning word and sentence representations, as well as to better understand compositionality. In the first paper, we show that we can autoencode dictionary definitions to learn word vectors, called definition embeddings. We propose a new penalty that allows us to use these definition embeddings as inputs to the encoder itself, but also to blend them with pretrained distributional vectors. The definition embeddings capture semantic similarity better than distributional methods such as word2vec. Moreover, the encoder somewhat generalizes to definitions unseen during training. In the second paper, we analyze the representations learned by sequence-to-sequence variational autoencoders. We find that the encoders tend to memorize the first few words and the length of the input sentence. This limits drastically their usefulness as controllable generative models. We also analyze simpler architectural variants that are agnostic to word order, as well as pretraining-based methods. The representations that they learn tend to encode global features such as topic and sentiment more markedly, and this shows in the reconstructions they produce. In the third paper, we use language emergence simulations to study compositionality. A speaker – the encoder – observes an input and produces a message about it. A listener – the decoder – tries to reconstruct what the speaker talked about in its message. We hypothesize that producing sentences involving several entities, such as “John loves Mary”, fundamentally requires to perceive each entity, John and Mary, as distinct wholes. We endow some agents with this ability via an attention mechanism, and deprive others of it. We propose various metrics to measure whether the languages are natural in terms of their argument structure, and whether the languages are more analytic or synthetic. Agents perceiving entities as distinct wholes exchange more natural messages than other agents.

L'apprentissage machine moderne s'appuie souvent sur l'utilisation de jeux de données massifs, mais il existe de nombreux contextes où l'acquisition et la manipulation de grandes données n'est pas possible, et le développement de techniques d'apprentissage avec de petites données est donc essentiel. Dans cette thèse, nous étudions comment diminuer le nombre de données nécessaires à travers deux paradigmes d'apprentissage~: l'augmentation de données et l'apprentissage par requête synthétisée. La thèse s'organise en quatre volets, chacun démontrant une nouvelle facette concernant la génération d'exemples pour réduire le coût d'annotation. Le premier volet regarde l'augmentation de données pour des textes en anglais, ce qui nous permet d'établir une comparaison objective des techniques et de développer de nouveaux algorithmes. Le deuxième volet regarde ensuite l'augmentation de données dans les langues autres que l'anglais, et le troisième pour la tâche de génération de mots-clés en français. Finalement, le dernier volet s'intéresse à l'apprentissage par requête synthétisée, où les exemples générés sont annotés, en contraste à l'augmentation de données qui produit des exemples sans coût d'annotation supplémentaire. Nous montrons que cette technique permet de meilleures performances, particulièrement lorsque le jeu de données est large et l'augmentation de données souvent inefficace. / Modern machine learning often relies on the use of massive datasets, but there are many contexts where acquiring and handling large data is not feasible, making the development of techniques for learning with small data essential. In this thesis, we investigate how to reduce the amount of data required through two learning paradigms~: data augmentation and membership query synthesis. The thesis is organized into four parts, each demonstrating a new aspect of generating examples to reduce annotation costs. The first part examines data augmentation for English text, allowing us to make an objective comparison of techniques and develop new algorithms. The second one then explores data augmentation in languages other than English, and the third focuses on the task of keyword generation in French. Finally, the last part delves into membership query synthesis, where generated examples are annotated, in contrast to data augmentation, which produces examples without additional annotation costs. We show that this technique leads to better performance, especially when the dataset is large and data augmentation is often ineffective.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la mise en œuvre d'algorithmes auto-adaptatifs d'Intelligence Collective pour la résolution de problèmes d'optimisation modélisés dans un langage de Programmation par contraintes (PPC). Nous avons porté une attention particulière à la famille d'algorithmes de type " Ant Colony Optimization " (ACO). Nous avons développé trois contributions, à savoir : (1) Intégration des algorithmes de type ACO dans un langage de programmation par contraintes pour la résolution de problèmes de satisfaction de contraintes; (2) Proposition d'un algorithme hybride et générique où ACO est couplé à une approche complète pour résoudre des problèmes d'optimisation combinatoires (3) Proposition d'une stratégie capable d'adapter dynamiquement les paramètres de ACO.

La télémédecine est une approche nouvelle de la pratique médicale qui est particulièrement porteuse d'espoir face à l'enjeu sociétal posé par l'incidence croissante des maladies chroniques et l'évolution de la démographie médicale. Le développement de la télésurveillance médicale réalisée grâce au recueil de données physiologiques ou biologiques au domicile du patient implique de développer nos capacités à analyser un volume important de données. Le problème auquel s'intéresse cette thèse est d'établir ou d'apprendre automatiquement la fonction qui lie les données fournies par les capteurs à l'état de santé du patient. La difficulté principale tient à ce qu'il est difficile et souvent impossible d'établir de manière sûre l'état de santé d'un patient, la seule référence disponible étant alors celle que peut donner le médecin traitant. Nous montrons dans cette thèse que la modélisation stochastique et plus particulièrement le formalisme graphique bayésien permet d'aborder cette question sous trois angles complémentaires. Le premier est celui de la représentation explicite de l'expertise médicale. Cette approche est adaptée aux situations dans lesquelles les données ne sont pas accessibles et où il est donc nécessaire de modéliser directement la démarche du médecin. La seconde approche envisagée est celle de l'apprentissage automatique des paramètres du modèles lorsque suffisamment de données sur les sorties attendues sont disponibles. Nous nous intéressons enfin à la possibilité d'apprendre les actions pertinentes par renforcement sous les contraintes de la problématique médicale à savoir d'après l'observation de l'expert dans sa pratique normale. Nous étudions plus spécifiquement l'utilisation de la vraisemblance du modèle pour apprendre une représentation pertinente de l'espace d'états.

Cette thèse traite de l'usage des Réseaux de Neurones pour modélisation de données séquentielles. La façon dont l'information a été ordonnée et structurée est cruciale pour la plupart des données. Les mots qui composent ce paragraphe en constituent un exemple. D'autres données de ce type incluent les données audio, visuelles et génomiques. La Prédiction Structurée est l'un des domaines traitant de la modélisation de ces données. Nous allons aussi présenter la Modélisation Générative, qui consiste à générer des points similaires aux données sur lesquelles le modèle a été entraîné. Dans le chapitre 1, nous utiliserons des données clients afin d'expliquer les concepts et les outils de l'Apprentissage Automatique, incluant les algorithmes standards d'apprentissage ainsi que les choix de fonction de coût et de procédure d'optimisation. Nous donnerons ensuite les composantes fondamentales d'un Réseau de Neurones. Enfin, nous introduirons des concepts plus complexes tels que le partage de paramètres, les Réseaux Convolutionnels et les Réseaux Récurrents. Le reste du document, nous décrirons de plusieurs types de Réseaux de Neurones qui seront à la fois utiles pour la prédiction et la génération et leur application à des jeux de données audio, d'écriture manuelle et d'images. Le chapitre 2 présentera le Réseau Neuronal Récurrent Variationnel (VRNN pour variational recurrent neural network). Le VRNN a été développé dans le but de générer des échantillons semblables aux exemples de la base d'apprentissage. Nous présenterons des modèles entraînées de manière non-supervisée afin de générer du texte manuscrites, des effets sonores et de la parole. Non seulement ces modèles prouvent leur capacité à apprendre les caractéristiques de chaque type de données mais établissent aussi un standard en terme de performance. Dans le chapitre 3 sera présenté ReNet, un modèle récemment développé. ReNet utilise les sorties structurées d'un Réseau Neuronal Récurrent pour classifier des objets. Ce modèle atteint des performances compétitives sur plusieurs tâches de reconnaissance d'images, tout en utilisant une architecture conçue dès le départ pour de la Prédiction Structurée. Dans ce cas-ci, les résultats du modèle sont utilisés simplement pour de la classification mais des travaux suivants (non inclus ici) ont utilisé ce modèle pour de la Prédiction Structurée. Enfin, au Chapitre 4 nous présentons les résultats récents non-publiés en génération acoustique. Dans un premier temps, nous fournissons les concepts musicaux et représentations numériques fondamentaux à la compréhension de notre approche et introduisons ensuite une base de référence et de nouveaux résultats de recherche avec notre modèle, RNN-MADE. Ensuite, nous introduirons le concept de synthèse vocale brute et discuterons de notre recherche en génération. Dans notre dernier Chapitre, nous présenterons enfin un résumé des résultats et proposerons de nouvelles pistes de recherche. / In this thesis we utilize neural networks to effectively model data with sequential structure. There are many forms of data for which both the order and the structure of the information is incredibly important. The words in this paragraph are one example of this type of data. Other examples include audio, images, and genomes. The work to effectively model this type of ordered data falls within the field of structured prediction. We also present generative models, which attempt to generate data that appears similar to the data which the model was trained on. In Chapter 1, we provide an introduction to data and machine learning. First, we motivate the need for machine learning by describing an expert system built on a customer database. This leads to a discussion of common algorithms, losses, and optimization choices in machine learning. We then progress to describe the basic building blocks of neural networks. Finally, we add complexity to the models, discussing parameter sharing and convolutional and recurrent layers. In the remainder of the document, we discuss several types of neural networks which find common use in both prediction and generative modeling and present examples of their use with audio, handwriting, and images datasets. In Chapter 2, we introduce a variational recurrent neural network (VRNN). Our VRNN is developed with to generate new sequential samples that resemble the dataset that is was trained on. We present models that learned in an unsupervised manner how to generate handwriting, sound effects, and human speech setting benchmarks in performance. Chapter 3 shows a recently developed model called ReNet. In ReNet, intermediate structured outputs from recurrent neural networks are used for object classification. This model shows competitive performance on a number of image recognition tasks, while using an architecture designed to handle structured prediction. In this case, the final model output is only used for simple classification, but follow-up work has expanded to full structured prediction. Lastly, in Chapter 4 we present recent unpublished experiments in sequential audio generation. First we provide background in musical concepts and digital representation which are fundamental to understanding our approach and then introduce a baseline and new research results using our model, RNN-MADE. Next we introduce the concept of raw speech synthesis and discuss our investigation into generation. In our final chapter, we present a brief summary of results and postulate future research directions.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La mesure de la visibilité météorologique est un élément important pour la sécurité des transports routiers et aériens. Nous proposons dans ce travail de recherche un indicateur de la visibilité météorologique adapté aux caméras fixes de vidéo surveillance du réseau routier. Il est fondé sur le module du gradient sélectionné dans des zones dont le comportement suit une loi de réflexion de Lambert vis à vis des conditions d'éclairage. La réponse de cet indicateur est issue d'une modélisation fondée sur une hypothèse de la distribution des profondeurs dans la scène. Celle-ci est calibrée avec des données provenant d'un visibilimètre ou bien avec une carte de profondeurs issue d'un modèle numérique de terrain. Les estimations sont ensuite comparées avec des données de référence obtenues par un visibilimètre et montrent une erreur moyenne similaire pour des images prises dans différentes conditions d'éclairage et de visibilité météorologique / The measurement of the meteorological visibility is an important element for the safety of road and air transport. We propose in this thesis a meteorological visibility indicator adapted to video surveillance cameras of the road network. This descriptor is based on the module of the gradient selected in areas that follow Lambert's reflection law. The response of this descriptor is derived from a model based on the statistical distribution of depth in the scene. Calibration is performed with data from a visibilimeter, or with a depth map from a digital terrainmodel. The results are then compared with reference data obtained from a visibilimeter and show a similar mean error for images taken in different illumination and meteorological visibility conditions

«Qu’ai-je besoin de connaître minimalement d’une chose pour la connaître ?» Le fait que cette question aux allures de devinette s’avère cognitivement difficile à appréhender de par son degré de généralité explique sans peine la raison pour laquelle son élucidation demeura plusieurs millénaires durant l’apanage d’une discipline unique : la Philosophie. Dans ce contexte, énoncer des critères à même de distinguer les composants primitifs de la réalité – ou le "mobilier du monde" – ainsi que leurs relations revient à produire une Ontologie. Cet ouvrage s’attelle à la tâche d’élucider le tournant historique curieux, en apparence anodin, que constitue l’émergence de ce type de questionnement dans le champ de deux disciplines connexes que constituent l’Intelligence Artificielle et l’Ingénierie des Connaissances. Nous montrons plus particulièrement ici que leur import d’une forme de méthodologie ontologique appliquée à la cognition ou à la représentation des connaissances ne relève pas de la simple analogie mais soulève un ensemble de questions et d’enjeux pertinents tant sur un plan appliqué que spéculatif. Plus spécifiquement, nous montrons ici que certaines des solutions techniques au problème de la data-masse (Big Data) – i.e. la multiplication et la diversification des données en ligne – constitue un point d’entrée aussi nouveau qu’inattendu dans de nombreuses problématiques traditionnellement philosophiques relatives à la place du langage et des raisonnements de sens commun dans la pensée ou encore l’existence d’une structuration de la réalité indépendante de l’esprit humain. / «What do I need to know about something to know it ?». It is no wonder that such a general, hard to grasp and riddle-like question remained the exclusive domain of a single discipline for centuries : Philosophy. In this context, the distinction of the primitive components of reality – the so called "world’s furniture" – and their relations is called an Ontology. This book investigates the emergence of similar questions in two different though related fields, namely : Artificial Intelligence and Knowledge Engineering. We show here that the way these disciplines apply an ontological methodology to either cognition or knowledge representation is not a mere analogy but raises a bunch of relevant questions and challenges from both an applied and a speculative point of view. More specifically, we suggest that some of the technical answers to the issues addressed by Big Data invite us to revisit many traditional philosophical positions concerning the role of language or common sense reasoning in the thought or the existence of mind-independent structure in reality.

L'objectif principal de cette thèse porte sur la conception d'un système de perception artificiel permettant d'identifier des scènes ou évènements pertinents dans des environnements complexes. Les travaux réalisés ont permis d'étudier et de mettre en œuvre d'un système de perception bio-inspiré basé sur l'attention visuelle et auditive. Les principales contributions de cette thèse concernent la saillance auditive associée à une identification des sons et bruits environnementaux ainsi que la saillance visuelle associée à une reconnaissance d'objets pertinents. La saillance du signal sonore est calculée en fusionnant des informations extraites des représentations temporelles et spectrales du signal acoustique avec une carte de saillance visuelle du spectrogramme du signal concerné. Le système de perception visuelle est quant à lui composé de deux mécanismes distincts. Le premier se base sur des méthodes de saillance visuelle et le deuxième permet d'identifier l'objet en premier plan. D'autre part, l'originalité de notre approche est qu'elle permet d'évaluer la cohérence des observations en fusionnant les informations extraites des signaux auditifs et visuels perçus. Les résultats expérimentaux ont permis de confirmer l'intérêt des méthodes utilisées dans le cadre de l'identification de scènes pertinentes dans un environnement complexe / The main goal of these researches is the design of one artificial perception system allowing to identify events or scenes in a complex environment. The work carried out during this thesis focused on the study and the conception of a bio-inspired perception system based on the both visual and auditory saliency. The main contributions of this thesis are auditory saliency with sound recognition and visual saliency with object recognition. The auditory saliency is computed by merging information from the both temporal and spectral signals with a saliency map of a spectrogram. The visual perception system is based on visual saliency and recognition of foreground object. In addition, the originality of the proposed approach is the possibility to do an evaluation of the coherence between visual and auditory observations using the obtained information from the features extracted from both visual and auditory patters. The experimental results have proven the interest of this method in the framework of scene identification in a complex environment