Les Interface Cerveau-Machine (ICM) ont appliquées avec succès aussi bien dans le domain clinique que pour l'amélioration de la vie quotidienne de patients avec des handicaps. En tant que composante essentielle, le module de traitement du signal détermine nettement la performance d'un système ICM. Nous nous consacrons à améliorer les stratégies de traitement du signal du point de vue de l'apprentissage de la machine. Tout d'abord, nous avons développé un algorithme basé sur les SVM transductifs couplés aux noyaux multiples afin d'intégrer différentes vues des données (vue statistique ou une vue géométrique) dans le processus d'apprentissage. Deuxièmement, nous avons proposé une version en ligne de l'apprentissage multi-noyaux dans le cas supervisé. Les résultats expérimentaux montrent de meilleures performances par rapport aux approches classiques. De plus, l'algorithme proposé permet de sélectionner automatiquement les canaux de signaux EEG utiles grâce à l'apprentissage multi-noyaux. Dans la dernière partie, nous nous sommes attaqué à l'amélioration du module de traitement du signal au-delà des algorithmes d'apprentissage auomatique eux-mêmes. En analysant les données ICM hors-ligne, nous avons d'abord confirmé qu'un modèle de classification simple peut également obtenir des performances statisfaisantes en effectuant une sélection de caractéristiques (et.ou de canaux). Nous avons ensuite conçu un système émotionnel ICM par en tenant compte de l'état émotionnel de l'utilisateur. Sur la base des données de l'EEG obtenus avec différents états émotionnels, c'est-à-dire, positives, négatives et neutre émotions, nous avons finalement prouvé que l'émotion affecter les performances ICM en utilisant des tests statisques. Cette partie de la thèse propose des bases pour réaliser des ICM plus adaptées aux utilisateurs.

Dossier de travaux incluant un échantillon de 12 publications sur les thèmes suivants: - Perception des lettres - Modèles de codage de données - Modèles de codage d'images - Réseaux de neurones et apprentissage supervisé - Méthodes de calcul des paramètres de modèles - Méthodes de validation de modèles et bases de données comportementales

Le but des systèmes de recherche d'images est de diriger rapidement l'utilisateur vers des contenus qui sont pertinents par rapport à la requête qu'il a formulée. Après une présentation de la problématique et un état d'art du domaine, cette thèse présente nos contributions dans le cadre de l'apprentissage avec très peu d'exemples qui est propre à l'imagerie satellitaire. Ces contributions se situent principalement autour de l'utilisation de méthodes semi-supervisées pour exploiter l'information contenue dans les données non-labellisées et pallier en quelque sorte la faiblesse et la non-exhaustivité des bases d'apprentissage. Nous présentons deux scénarios d'utilisation de méthodes semi-supervisées. Le premier se place dans le cadre d'un système d'annotation automatique d'images. Le but est alors de détecter les structures inconnues, c'est à dire les ensembles cohérents de données qui ne sont pas représentées dans la base d'apprentissage et ainsi de guider l'utilisateur dans son exploration de la base. Le second scénario concerne les systèmes de recherche interactive d'images. L'idée est d'exploiter une structuration des données, sous la forme d'un clustering par exemple, pour accélérer l'apprentissage (i.e. minimiser le nombre d'itérations de feedback) dans le cadre d'un système avec boucle de pertinence. La nouveauté de nos contributions se situe autour du fait que la plupart des méthodes semi-supervisées ne permettent pas de travailler avec de gros volumes de données comme on en rencontre en imagerie satellitaire ou alors ne sont pas temps-réel ce qui est problématique dans un système avec retour de pertinence où la fluidité des interactions avec l'utilisateur est à privilégier. Un autre problème qui justifie nos contributions est le fait que la plupart des méthodes semi-supervisées font l'hypothèse que la distribution des données labellisées suit la distribution des données non labellisées, hypothèse qui n'est pas vérifiée dans notre cas du fait de la non-exhaustivité des bases d'apprentissage et donc de l'existence de structures inconnues au niveau des données non labellisées. La dernière partie de cette thèse concerne un système de recherche d'objets à l'intérieur d'un schéma de type apprentissage actif. Une stratégie de type "coarse-to-fine" est introduite pour autoriser l'analyse de la base d'images à une taille de patch beaucoup plus "fine" tout en maintenant un nombre raisonnable d'évaluations de la fonction de décision du classificateur utilisé à chaque itération de la boucle d'apprentissage actif. L'idée est d' élaguer de grandes parties de la base de données à une échelle d'analyse dite "grossière'', afin de réserver un traitement plus complexe et plus coûteux sur des zones restreintes et plus prometteuses des images.

Un certain nombre de théories pédagogiques ont été établies depuis plus de 20 ans. Elles font appel aux réactions de l’apprenant en situation d’apprentissage, mais aucune théorie pédagogique n’a pu décrire complètement un processus d’enseignement en tenant compte de toutes les réactions émotionnelles de l’apprenant. Nous souhaitons intégrer les émotions de l’apprenant dans ces processus d’apprentissage, car elles sont importantes dans les mécanismes d’acquisition de connaissances et dans la mémorisation. Récemment on a vu que le facteur émotionnel est considéré jouer un rôle très important dans les processus cognitifs. Modéliser les réactions émotionnelles d’un apprenant en cours du processus d’apprentissage est une nouveauté pour un Système Tutoriel Intelligent. Pour réaliser notre recherche, nous examinerons les théories pédagogiques qui n’ont pas considéré les émotions de l’apprenant. Jusqu’à maintenant, aucun Système Tutoriel Intelligent destiné à l’enseignement n’a incorporé la notion de facteur émotionnel pour un apprenant humain. Notre premier objectif est d’analyser quelques stratégies pédagogiques et de détecter les composantes émotionnelles qui peuvent y être ou non. Nous cherchons à déterminer dans cette analyse quel type de méthode didactique est utilisé, autrement dit, que fait le tuteur pour prévoir et aider l’apprenant à accomplir sa tâche d’apprentissage dans des conditions optimales. Le deuxième objectif est de proposer l’amélioration de ces méthodes en ajoutant les facteurs émotionnels. On les nommera des « méthodes émotionnelles ». Le dernier objectif vise à expérimenter le modèle d’une théorie pédagogique améliorée en ajoutant les facteurs émotionnels. Dans le cadre de cette recherche nous analyserons un certain nombre de théories pédagogiques, parmi lesquelles les théories de Robert Gagné, Jerome Bruner, Herbert J. Klausmeier et David Merrill, pour chercher à identifier les composantes émotionnelles. Aucune théorie pédagogique n’a mis l’accent sur les émotions au cours du processus d’apprentissage. Ces théories pédagogiques sont développées en tenant compte de plusieurs facteurs externes qui peuvent influencer le processus d’apprentissage. Nous proposons une approche basée sur la prédiction d’émotions qui est liée à de potentielles causes déclenchées par différents facteurs déterminants au cours du processus d’apprentissage. Nous voulons développer une technique qui permette au tuteur de traiter la réaction émotionnelle de l’apprenant à un moment donné au cours de son processus d’apprentissage et de l’inclure dans une méthode pédagogique. Pour atteindre le deuxième objectif de notre recherche, nous utiliserons un module tuteur apprenant basé sur le principe de l’éducation des émotions de l’apprenant, modèle qui vise premièrement sa personnalité et deuxièmement ses connaissances. Si on défini l’apprenant, on peut prédire ses réactions émotionnelles (positives ou négatives) et on peut s’assurer de la bonne disposition de l’apprenant, de sa coopération, sa communication et l’optimisme nécessaires à régler les problèmes émotionnels. Pour atteindre le troisième objectif, nous proposons une technique qui permet au tuteur de résoudre un problème de réaction émotionnelle de l’apprenant à un moment donné du processus d’apprentissage. Nous appliquerons cette technique à une théorie pédagogique. Pour cette première théorie, nous étudierons l’effet produit par certaines stratégies pédagogiques d’un tuteur virtuel au sujet de l’état émotionnel de l’apprenant, et pour ce faire, nous développerons une structure de données en ligne qu’un agent tuteur virtuel peut induire à l’apprenant des émotions positives. Nous analyserons les résultats expérimentaux en utilisant la première théorie et nous les comparerons ensuite avec trois autres théories que nous avons proposées d’étudier. En procédant de la sorte, nous atteindrons le troisième objectif de notre recherche, celui d’expérimenter un modèle d’une théorie pédagogique et de le comparer ensuite avec d’autres théories dans le but de développer ou d’améliorer les méthodes émotionnelles. Nous analyserons les avantages, mais aussi les insuffisances de ces théories par rapport au comportement émotionnel de l’apprenant. En guise de conclusion de cette recherche, nous retiendrons de meilleures théories pédagogiques ou bien nous suggérerons un moyen de les améliorer. / A number of educational theories have been established for over 20 years. They use the learner’s reactions in a learning situation, but no educational theory could fully describe an educational process taking into account all the emotional reactions of a learner. We want to integrate the learner’s emotions in these learning processes, as they are important in the mechanisms of learning and memory. Recently we saw that emotional factor is considered to play an important role in cognitive processes. Modeling a learner’s emotional reactions during the learning process is a novelty for an Intelligent Tutorial System. To achieve our research, we will examine educational theories which did not consider the learner’s emotions. Until now, no Intelligent Tutorial System for teaching has incorporated the concept of emotional factor of a human learner. Our first objective is to analyze a few strategies and detect emotional components that may be there or not. We seek to determine what type of teaching method is used, in other words, what the tutor is doing to predict and assist the learner to accomplish his/her learning task under optimal conditions. The second objective is to improve these methods by adding the emotional factors. They are so called “emotional methods”. The final objective is to test the model of an improved educational theory by adding the emotional factors. As part of this research we analyze a number of educational theories, including theories of Robert Gagné, Jerome Bruner, Herbert J. Klausmeier and David Merrill, in seeking to identify the emotional components. No educational theory has focused on emotions during the learning process. These educational theories are developed taking into account several factors that can influence the learning process. We propose an approach based on emotion prediction that is linked to potential causes triggered by different factors in the learning process. We want to develop a technique that allows the tutor to deal with the learner’s emotional reaction at any given time during the learning process and to include it in a teaching method. To achieve the second objective of our research, we use a learning tutor model based on the principle of educating the learner’s emotions, model which first seeks the person’s personality and second the person's knowledge. If we know the learner’s personality, we can predict his/her emotional reactions (positive or negative) and we can ensure the proper disposal of the learner, his cooperation, communication and optimism necessary to resolve emotional problems. In order to achieve the third objective, we propose a technique that allows the tutor to solve an emotional reaction problem of the learner at a given moment during the learning process. We apply this technique to an educational theory. For this first theory, we study the effect of certain educational strategies of a virtual tutor about the learner’s emotional state, and to this end, we develop an online data structure with which a virtual tutor can induce positive emotions to the learner. We analyze the experimental results using the first theory and then we compare them with three other theories proposed for study. In doing so, we reach the third objective of our research, which is to test an educational theory model and then compare it with other theories in order to develop or improve the emotional methods. We analyze the advantages, but also the shortcomings of these theories compared to a learner’s emotional behaviour. In conclusion, we will keep the best educational theories or we will suggest a way to improve them.

Les avancés dans le domaine de l’intelligence artificielle, permettent à des systèmes informatiques de résoudre des tâches de plus en plus complexes liées par exemple à la vision, à la compréhension de signaux sonores ou au traitement de la langue. Parmi les modèles existants, on retrouve les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA), dont la popularité a fait un grand bond en avant avec la découverte de Hinton et al. [22], soit l’utilisation de Machines de Boltzmann Restreintes (RBM) pour un pré-entraînement non-supervisé couche après couche, facilitant grandement l’entraînement supervisé du réseau à plusieurs couches cachées (DBN), entraînement qui s’avérait jusqu’alors très difficile à réussir. Depuis cette découverte, des chercheurs ont étudié l’efficacité de nouvelles stratégies de pré-entraînement, telles que l’empilement d’auto-encodeurs traditionnels(SAE) [5, 38], et l’empilement d’auto-encodeur débruiteur (SDAE) [44]. C’est dans ce contexte qu’a débuté la présente étude. Après un bref passage en revue des notions de base du domaine de l’apprentissage machine et des méthodes de pré-entraînement employées jusqu’à présent avec les modules RBM, AE et DAE, nous avons approfondi notre compréhension du pré-entraînement de type SDAE, exploré ses différentes propriétés et étudié des variantes de SDAE comme stratégie d’initialisation d’architecture profonde. Nous avons ainsi pu, entre autres choses, mettre en lumière l’influence du niveau de bruit, du nombre de couches et du nombre d’unités cachées sur l’erreur de généralisation du SDAE. Nous avons constaté une amélioration de la performance sur la tâche supervisée avec l’utilisation des bruits poivre et sel (PS) et gaussien (GS), bruits s’avérant mieux justifiés que celui utilisé jusqu’à présent, soit le masque à zéro (MN). De plus, nous avons démontré que la performance profitait d’une emphase imposée sur la reconstruction des données corrompues durant l’entraînement des différents DAE. Nos travaux ont aussi permis de révéler que le DAE était en mesure d’apprendre, sur des images naturelles, des filtres semblables à ceux retrouvés dans les cellules V1 du cortex visuel, soit des filtres détecteurs de bordures. Nous aurons par ailleurs pu montrer que les représentations apprises du SDAE, composées des caractéristiques ainsi extraites, s’avéraient fort utiles à l’apprentissage d’une machine à vecteurs de support (SVM) linéaire ou à noyau gaussien, améliorant grandement sa performance de généralisation. Aussi, nous aurons observé que similairement au DBN, et contrairement au SAE, le SDAE possédait une bonne capacité en tant que modèle générateur. Nous avons également ouvert la porte à de nouvelles stratégies de pré-entraînement et découvert le potentiel de l’une d’entre elles, soit l’empilement d’auto-encodeurs rebruiteurs (SRAE). / Progress in the machine learning domain allows computational system to address more and more complex tasks associated with vision, audio signal or natural language processing. Among the existing models, we find the Artificial Neural Network (ANN), whose popularity increased suddenly with the recent breakthrough of Hinton et al. [22], that consists in using Restricted Boltzmann Machines (RBM) for performing an unsupervised, layer by layer, pre-training initialization, of a Deep Belief Network (DBN), which enables the subsequent successful supervised training of such architecture. Since this discovery, researchers studied the efficiency of other similar pre-training strategies such as the stacking of traditional auto-encoder (SAE) [5, 38] and the stacking of denoising auto-encoder (SDAE) [44]. This is the context in which the present study started. After a brief introduction of the basic machine learning principles and of the pre-training methods used until now with RBM, AE and DAE modules, we performed a series of experiments to deepen our understanding of pre-training with SDAE, explored its different proprieties and explored variations on the DAE algorithm as alternative strategies to initialize deep networks. We evaluated the sensitivity to the noise level, and influence of number of layers and number of hidden units on the generalization error obtained with SDAE. We experimented with other noise types and saw improved performance on the supervised task with the use of pepper and salt noise (PS) or gaussian noise (GS), noise types that are more justified then the one used until now which is masking noise (MN). Moreover, modifying the algorithm by imposing an emphasis on the corrupted components reconstruction during the unsupervised training of each different DAE showed encouraging performance improvements. Our work also allowed to reveal that DAE was capable of learning, on naturals images, filters similar to those found in V1 cells of the visual cortex, that are in essence edges detectors. In addition, we were able to verify that the learned representations of SDAE, are very good characteristics to be fed to a linear or gaussian support vector machine (SVM), considerably enhancing its generalization performance. Also, we observed that, alike DBN, and unlike SAE, the SDAE had the potential to be used as a good generative model. As well, we opened the door to novel pre-training strategies and discovered the potential of one of them : the stacking of renoising auto-encoders (SRAE).

Cette thèse porte sur une classe d'algorithmes d'apprentissage appelés architectures profondes. Il existe des résultats qui indiquent que les représentations peu profondes et locales ne sont pas suffisantes pour la modélisation des fonctions comportant plusieurs facteurs de variation. Nous sommes particulièrement intéressés par ce genre de données car nous espérons qu'un agent intelligent sera en mesure d'apprendre à les modéliser automatiquement; l'hypothèse est que les architectures profondes sont mieux adaptées pour les modéliser. Les travaux de Hinton (2006) furent une véritable percée, car l'idée d'utiliser un algorithme d'apprentissage non-supervisé, les machines de Boltzmann restreintes, pour l'initialisation des poids d'un réseau de neurones supervisé a été cruciale pour entraîner l'architecture profonde la plus populaire, soit les réseaux de neurones artificiels avec des poids totalement connectés. Cette idée a été reprise et reproduite avec succès dans plusieurs contextes et avec une variété de modèles. Dans le cadre de cette thèse, nous considérons les architectures profondes comme des biais inductifs. Ces biais sont représentés non seulement par les modèles eux-mêmes, mais aussi par les méthodes d'entraînement qui sont souvent utilisés en conjonction avec ceux-ci. Nous désirons définir les raisons pour lesquelles cette classe de fonctions généralise bien, les situations auxquelles ces fonctions pourront être appliquées, ainsi que les descriptions qualitatives de telles fonctions. L'objectif de cette thèse est d'obtenir une meilleure compréhension du succès des architectures profondes. Dans le premier article, nous testons la concordance entre nos intuitions---que les réseaux profonds sont nécessaires pour mieux apprendre avec des données comportant plusieurs facteurs de variation---et les résultats empiriques. Le second article est une étude approfondie de la question: pourquoi l'apprentissage non-supervisé aide à mieux généraliser dans un réseau profond? Nous explorons et évaluons plusieurs hypothèses tentant d'élucider le fonctionnement de ces modèles. Finalement, le troisième article cherche à définir de façon qualitative les fonctions modélisées par un réseau profond. Ces visualisations facilitent l'interprétation des représentations et invariances modélisées par une architecture profonde. / This thesis studies a class of algorithms called deep architectures. We argue that models that are based on a shallow composition of local features are not appropriate for the set of real-world functions and datasets that are of interest to us, namely data with many factors of variation. Modelling such functions and datasets is important if we are hoping to create an intelligent agent that can learn from complicated data. Deep architectures are hypothesized to be a step in the right direction, as they are compositions of nonlinearities and can learn compact distributed representations of data with many factors of variation. Training fully-connected artificial neural networks---the most common form of a deep architecture---was not possible before Hinton (2006) showed that one can use stacks of unsupervised Restricted Boltzmann Machines to initialize or pre-train a supervised multi-layer network. This breakthrough has been influential, as the basic idea of using unsupervised learning to improve generalization in deep networks has been reproduced in a multitude of other settings and models. In this thesis, we cast the deep learning ideas and techniques as defining a special kind of inductive bias. This bias is defined not only by the kind of functions that are eventually represented by such deep models, but also by the learning process that is commonly used for them. This work is a study of the reasons for why this class of functions generalizes well, the situations where they should work well, and the qualitative statements that one could make about such functions. This thesis is thus an attempt to understand why deep architectures work. In the first of the articles presented we study the question of how well our intuitions about the need for deep models correspond to functions that they can actually model well. In the second article we perform an in-depth study of why unsupervised pre-training helps deep learning and explore a variety of hypotheses that give us an intuition for the dynamics of learning in such architectures. Finally, in the third article, we want to better understand what a deep architecture models, qualitatively speaking. Our visualization approach enables us to understand the representations and invariances modelled and learned by deeper layers.

Dans cette thèse, nous proposons et évaluons la mise en place de la chaine complète de traitement de l'information pour la détermination de l'état de santé d'un blessé polytraumatisé. Nous faisons l'hypothèse que l'état de santé du blessé est observable dans un espace généré à partir de caractéristiques extraites sur des mesures provenant de capteurs portables. Au cours du polytraumatisme, son état se déplace dans des régions propres à chaque classe de choc hémorragique rencontrée, indépendante de l'individu. Le but de cette étude est de trouver ces régions par apprentissage supervisé pour un espace de dimension le plus faible possible (minimisation du nombre de capteurs). Pour cela, nous avons mis au point un modèle animal de choc hémorragique sur de jeunes porcs subissant une perte de sang continue à débit contrôlé. Dans un premier temps l'apprentissage a été réalisé en observant l'état instantané, l'évolution dynamique étant vue comme contextuelle. Dans un second temps nous avons évalué l'apport de l'information dynamique.

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.

Ce travail de thèse adresse le problème de la désambiguïsation lexicale automatique à l'aide de<br />méthodes d'apprentissage supervisé. Dans une première partie, nous proposons un ensemble de<br />puissants outils de manipulation de corpus linguistiques étiquetés. Pour réaliser ces outils, nous<br />avons développé une bibliothèque \texttt{C\fup{++}} qui implémente un langage élaboré et expressif<br />d'interrogation de corpus, basé sur des \emph{méta-expressions régulières}. Dans une seconde<br />partie, nous comparons divers algorithmes d'apprentissage supervisé, que nous utilisons ensuite<br />pour mener à bien une étude systématique et approfondie de différents critères de désambiguïsation,<br />basés sur la cooccurrence de mots et plus généralement de n-grammes. Nos résultats vont parfois à<br />l'encontre de certaines pratiques dans le domaine. Par exemple, nous montrons que la suppression<br />des mots grammaticaux dégrade les performances et que les bigrammes permettent d'obtenir de<br />meilleurs résultats que les unigrammes.

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